您可能在电脑游戏或科学博物馆中驾驶过飞行模拟器。不坠机着陆始终是最困难的部分。但与工程师面临的挑战相比，这根本不算什么，他们需要开发人类探索火星表面所需的大型飞行器的飞行模拟。这颗红色星球给宇航员带来了无数的挑战，其中最重要的是到达那里。

用超级计算机支持火星探索的未来

这就是能源部科学办公室的用户设施超级计算机发挥作用的地方。美国能源部橡树岭领导计算设施(OLCF)的研究人员正在与NASA工程师和科学家合作，模拟大型航天器向火星表面移动时减速的过程。

在火星上着陆航天器对美国宇航局来说并不新鲜。该机构于1976年通过维京项目首次执行了地球任务。此后，美国宇航局又成功进行了八次火星登陆。

这个目标的不同之处在于，人类探索所需的巨型航天器的着陆比机器人任务的着陆要困难得多。机器人飞行器使用降落伞在火星大气层中减速。但载人航天器的重量将增加约20至50倍。

这么大的车辆根本无法使用降落伞。相反，美国宇航局将需要依靠逆向推进。这项技术使用向前发射的火箭，在飞行器接近地面时减慢飞行器的速度。

使用逆向推进会带来许多挑战。高能火箭发动机废气与飞行器和火星大气层相互作用。这些动态改变了团队引导和控制车辆的方式。此外，工程师无法完全复制火星上的飞行在地球上的情况。虽然他们可以在风洞中测试航天器并使用其他工具，但这些工具并不能完美替代或直接模拟火星环境。

为了填补这一空白，NASA求助于OLCF超级计算机及其专家计算机科学家。理论上，在超级计算机上运行的程序可以完全模拟火星环境以及与使用逆向推进相关的许多复杂物理现象。

该项目团队依赖于FUN3D，这是一套长期存在的软件工具，用于模拟流体(包括空气)如何移动。工程师在20世纪80年代末创建了该代码的第一个版本，此后不断进行重大改进。航空航天技术领域的机构和公司已利用它来应对重大挑战。

当前的火星工作于2019年在OLCF当时最快的计算机Summit上开始。最初的模拟假设条件固定。他们仅模拟了车辆轨迹上的一个​​点。这些早期版本使科学家能够评估飞行速度、发动机设置等的影响。进一步的发展使工程师能够探索真实的气体效应。

他们可以解释液氧甲烷火箭发动机和富含二氧化碳的火星大气。即使这些早期的模拟通常也会产生PB大小的数据集。大约需要1,000台功能强大的家用计算机才能存储1PB。但即使这些也不是完整的模拟——这在当时是不可能的。

下一步是将全新的软件融入到模拟中——优化模拟轨迹程序(POST2)。NASA开发了POST2来分析飞行力学，以适应广泛的应用。虽然最初的模拟依赖于静态条件，但POST2允许科学家在模拟中动态地“飞行”飞行器。该团队聘请了佐治亚理工学院航空航天系统设计实验室的研究人员。

他们之前开发了独特的策略，将POST2与高保真空气动力学模拟结合起来。纳入POST2还要求工程师改变项目工作流程。出于安全原因，该软件的使用仅限于NASA计算系统。因此，团队需要确保NASA系统能够与OLCF的Summit顺利通信。

解决防火墙、网络中断和其他程序问题需要两个设施的网络安全和系统管理团队进行一整年的规划!

最新的进展是将整个模拟转移到OLCF最新、最强大的计算机——Frontier。Frontier是世界上第一台百亿亿次计算机，其功能比以前的超级计算机强大得多。通过为期两周的一系列协调运行，该团队进行了迄今为止最复杂的飞行模拟。

这是从5英里高度到大约0.6英里的闭环下降，历时35秒。模拟将车辆的速度从1,200英里每小时减慢至大约450英里每小时。POST2能够利用其八个主发动机和四个反应控制系统模块以稳定的方式自主控制车辆。

借助OLCFFrontier提供的巨大动力，NASA工程师正在不断探索太空旅行的新领域。