Kiedy nadejdzie czas, aby NASA wysłała astronautów z powrotem na Księżyc i na Marsa, w grę wchodzi szereg nowych systemów statków kosmicznych. Należą do nich Space Launch System (SLS), najpotężniejsza rakieta, jaką kiedykolwiek zbudowano, oraz Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) - statek kosmiczny nowej generacji, który będzie przewoził załogi poza Low Earth Orbit (LEO).
Oczywiście, zanim którykolwiek z tych systemów będzie mógł prowadzić misje, należy przeprowadzić szeroko zakrojone testy, aby upewnić się, że są one bezpieczne i będą dobrze działać. W tym duchu naukowcy z NASA zajmujący się superkomputerami (NASA) przeprowadzają obecnie bardzo szczegółowe symulacje i wizualizacje, aby zapewnić, że pojazd Launch Abort Vehicle (LAV) statku kosmicznego Orion zapewni bezpieczeństwo załodze w razie nagłego wypadku podczas startu.
Zasadniczo LAV jest połączoną konfiguracją systemu przerywania startu Orion (LAS) i modułu załogi i ma na celu zapewnienie załodze bezpieczeństwa, jeśli wystąpi nagły wypadek na polu startowym lub podczas pierwszych dwóch minut lotu. Te techniki symulacji i wizualizacji, które zostały przeprowadzone z superkomputerem Pleiades w NASA Ames Research Center, przewidują, w jaki sposób wibracje wpłyną na wystrzelenie statku kosmicznego Orion podczas startu.
Testy te nie tylko pomagają w projektowaniu silnika Orion LAV (wspólny wysiłek NASA i głównego wykonawcy Orion Lockheed Martin), ale są również raczej niespotykane, jeśli chodzi o rozwój statków kosmicznych. Jak wyjaśnił Francois Cadieux, naukowiec w NAS Computational Aerosciences Branch:
„Jest to jeden z pierwszych przypadków, w których w NASA wykorzystano techniki wielkiej symulacji wirowej (LES) w pełnej analizie i projektowaniu statków kosmicznych. Jestem podekscytowany, że mogę wziąć udział w kolejnym dużym projekcie agencji zajmującym się eksploracją kosmosu - ta praca doprowadza LES do punktu, w którym może zapewnić dokładne prognozy w krótkim czasie realizacji, aby poprowadzić projekt Oriona ”.
Wcześniej korzystanie z takich narzędzi o wysokiej wierności było w dużej mierze ograniczone do badań akademickich i nie skorzystało z nich żaden prywatny wykonawca. Wraz z Michaelem Baradem - inżynierem lotnictwa w Ames Research Center - Cadieux opracował szereg symulacji obliczeniowej turbulencji obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) przy użyciu opracowanego przez NAS oprogramowania Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics (LAVA).
Pomagali im eksperci od wizualizacji NAS, którzy pomogli naukowcom zidentyfikować różne typy wirów, które mogą powodować hałas i wibracje. Korzystając z tych danych symulacyjnych, eksperci od wizualizacji stworzyli serię wysokiej jakości zdjęć i filmów, które ilustrują, jakiej dynamiki przepływu doświadczyłby Orion LAS podczas przerwania uruchamiania. Jak wyjaśnił Cadieux:
„Na podstawie tych wizualizacji udało nam się zidentyfikować obszary o dużym obciążeniu wibracyjnym pojazdu i ich źródła. Dowiedzieliśmy się, że hałas pochodzący z turbulencji pióropuszu jest znacznie wyższy niż jakikolwiek hałas generowany przez jego interakcję z dołączonymi falami uderzeniowymi. ”
Poniższe wideo pokazuje symulację scenariusza przerwania wynurzania, w którym LAS odłączył się od SLS i podróżuje z prędkością zbliżoną do prędkości dźwięku. Proces przerywania rozpoczyna się wraz z zapłonem silnika LAS, a następnie zwalnia, gdy warunki ciśnienia i przepływu powietrza stają się szczególnie trudne.
Kolorowe pióropusze wskazują wysokie ciśnienie (czerwone) i niskie ciśnienie (niebieskie), piksele zmieniają się z niebieskiego na czerwony (i odwrotnie) w stosunku do fal ciśnienia, które powodują wibracje w pojeździe (biały). Obszary, w których kolor zmienia się nagle, ale z czasem pozostaje niebieski lub czerwony, wskazują na obecność fal uderzeniowych. Ostatecznie symulacje te mają bezpośredni wpływ na konstrukcję statku kosmicznego i pomogą zapewnić bezpieczeństwo astronautów i wydajność statku kosmicznego.
„Wciąż zadajemy wiele pytań” - powiedział Cadieux. „Na przykład, jak zmieniają się obciążenia na powierzchni LAV przy wyższych kątach ataku? Jak najlepiej wykorzystać dane z testów w tunelu aerodynamicznym, aby przewidzieć obciążenia dla rzeczywistych warunków lotu, w których pojazd przyspiesza? ”
Odpowiedzi na te pytania zostaną wykorzystane do zaprojektowania następnej serii testów naziemnych, prób makiet załogi i krytycznych prób w locie, które przygotują statek kosmiczny Orion do jego pierwszej misji z załogą - Eksploracji Misji 2 (EM-2). Ta misja, której rozpoczęcie planowane jest na 2023 r., Będzie się składać z czterech członków załogi, którzy przeprowadzą księżycowy przelot i dostarczą pierwsze elementy do Deep Space Gateway.
Koniecznie sprawdź także wideo z symulacji, dzięki uprzejmości NASA Ames Research Center:
