可以載人到“紅色星球”的車輛的形狀正逐漸形成“就像您要降落在另一個星球上的兩層樓房屋。車輛前部的隔熱罩直徑剛好超過16米，而且飛機(jī)本身在著陸時重達(dá)數(shù)十公噸。它非常龐大。”美國宇航局Langley研究中心的研究航空航天工程師Ashley Korzun說。

用于人類探索的車輛的重量將比通過降落傘部署到行星表面的熟悉的汽車大小的漫游車(如好奇號)的重量大得多。

科爾宗說：“您不能使用降落傘在火星表面上降落非常大的有效載荷。”“物理學(xué)剛破裂。你必須做其他事情。”

NASA期望人類在2030年代中期至后期航行至火星，因此工程師們已經(jīng)在制圖委員會工作了一段時間?，F(xiàn)在，他們在逆向驅(qū)動或發(fā)動機(jī)驅(qū)動的減速方面有一個有希望的解決方案。

科爾宗說：“后推發(fā)動機(jī)并沒有像推動剎車那樣使你減速，就像剎車一樣。”

在美國宇航局Langley資深研究科學(xué)家埃里克·尼爾森(Eric Nielsen)的帶領(lǐng)下，包括科爾佐恩(Korzun)在內(nèi)的科學(xué)家和工程師團(tuán)隊正在使用美國能源部(DOE)橡樹嶺國家實(shí)驗室(ORNL)上世界上最快的超級計算機(jī)Summit來模擬人類登陸火星。

尼爾森說：“與傳統(tǒng)的計算方法相比，我們能夠在Summit上展示出相當(dāng)革命性的性能。”

該團(tuán)隊使用其稱為FUN3D的計算流體動力學(xué)(CFD)代碼對車輛的火星下降建模。CFD應(yīng)用程序使用大型方程組來模擬流體(包括氣體)在流動和湍流過程中的小規(guī)模相互作用，在這種情況下，是為了捕獲著陸飛行器和大氣所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)。

科爾宗說：“ FUN3D和計算能力本身已經(jīng)徹底改變了游戲規(guī)則，使我們能夠推進(jìn)反推進(jìn)技術(shù)的開發(fā)，反推進(jìn)技術(shù)已在地球，月球和火星上得到了應(yīng)用。”

堅持著陸

NASA已經(jīng)成功在火星上部署了8個著陸器，包括配備了照相機(jī)，傳感器和通信設(shè)備的移動科學(xué)實(shí)驗室，而且研究人員熟悉了地球的超現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

火星的大氣層比地球的大氣層稀薄(密度較小)大約100倍，這導(dǎo)致軌道快速下降-大約6至7分鐘，而不是地球35至40分鐘的重返時間。

科爾宗說：“我們無法在地球上的地面或飛行測試中匹配所有相關(guān)的物理學(xué)，因此我們非常依賴于計算能力。”“在如此高的保真度和分辨率下，這確實(shí)是第一個機(jī)會，我們已經(jīng)能夠看到隨著發(fā)動機(jī)的開動而減速的情況。”

在反向推進(jìn)期間，車輛對空氣動力的大變化敏感，這會影響發(fā)動機(jī)性能以及機(jī)組人員控制車輛并將其降落在目標(biāo)位置的能力。

該團(tuán)隊需要一臺功能強(qiáng)大的超級計算機(jī)(例如200 petaflop的Summit)來模擬整個車輛在一定范圍的大氣和發(fā)動機(jī)條件下行駛。

為了預(yù)測火星大氣層中會發(fā)生什么，以及如何設(shè)計和控制發(fā)動機(jī)以確保機(jī)組人員的成功和安全，研究人員需要研究跨越長度和時間范圍(從厘米到千米，從幾分之一秒到分鐘。為了準(zhǔn)確地復(fù)制這些遙遠(yuǎn)的條件，團(tuán)隊必須對著陸器及其發(fā)動機(jī)的大尺寸，局部大氣條件以及沿下降軌跡的發(fā)動機(jī)條件建模。

在Summit上，團(tuán)隊將在6到7分鐘的下降時間內(nèi)在多個位置對著陸器進(jìn)行建模。為了表征從超音速到亞音速的各種速度下的流動行為，研究人員運(yùn)行了集成體(適用于單個模擬)，以高達(dá)100億個元素的分辨率解析流體動力學(xué)，每次運(yùn)行可存儲200 TB的信息。