观看NASA对阿波罗12号登月任务的超级计算机模拟

精确模拟着陆器对月球表面的影响对于为阿尔忒弥斯计划的宇航员规划安全旅程至关重要。
Computer simulation of Apollo 12 lunar lander effects on lunar surface
NASA的超级计算机正在帮助重建阿波罗着陆器的影响,以协助规划阿尔忒弥斯任务。 NASA

对于NASA的历史性阿波罗任务来说,事后诸葛亮并不完全准确。例如,阿波罗12号着陆器于1969年11月19日UTC时间上午6:35:25成功着陆月球。然而,宇航员着陆时对月球环境造成的影响并未被记录下来——附近岩石、碎片和月球风化层与着陆器引擎超音速气体爆发之间的反应细节也没有被记录。而且,考虑到月球重力、地质的巨大差异,以及月球完全没有大气层,在地球上物理复制阿波罗12号的历史性时刻是不可能的。

位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心的研究人员对阿波罗12号着陆器引擎喷流与月球表面的相互作用进行了模拟。这段动画描绘了引擎关闭前最后的半分钟下降过程,展示了喷流对平坦计算表面所施加的预测力。这种力被称为剪切应力,是指在一定面积上施加的侧向或横向力的大小,它是流体流过表面时造成侵蚀的主要原因。在此,波动的径向模式显示了预测的剪切应力强度。较低的剪切应力为深紫色,较高的剪切应力为黄色。
鸣谢:Patrick Moran,NASA艾姆斯研究中心/Andrew Weaver,NASA马歇尔太空飞行中心

这对NASA来说尤其是一个问题,因为NASA仍在计划宇航员在阿尔忒弥斯计划有望于2025年重返地球的卫星。将人类运送到月球表面的着陆器将比其阿波罗前身强大得多,因此规划实际和象征性的影响是绝对必要的。为此,位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心的研究人员正在依靠该机构的Pleiades超级计算机来帮助模拟过去的月球着陆——特别是阿波罗12号任务中未被充分考虑的信息。

正如NASA本周早些时候详细介绍的那样,一个由计算机工程师和流体动力学专家组成的团队最近设计了一个程序,能够准确地重现阿波罗12号任务的喷流-表面相互作用(PSI),即着陆喷气与月球地形之间的相互作用。据该机构称,Pleiades超级计算机在数周的模拟过程中生成了数TB的数据,这些数据将有助于预测NASA的载人着陆系统商业月球有效载荷服务,甚至未来可能的火星着陆器的PSI场景。

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NASA最近在科罗拉多州丹佛举行的年度国际超级计算会议SC23上展示了其中一个模拟——阿波罗12号着陆。对于这段大约半分钟的模拟片段,团队依赖于一个名为Gas Granular Flow Solver(GGFS)的模拟工具。该程序能够模拟相互作用,以预测月壤坑的形成以及着陆器周围扬起的尘埃云。

根据该项目的会议描述,GGFS在其最高保真度下可以“模拟微观月壤颗粒与统计上复制实际月壤的颗粒大小/形状分布之间的相互作用”。然而,为了在“当今的计算资源”上最有效地运行,该模拟仅考虑一种到三种潜在的颗粒大小和形状。

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引擎关闭前最后半分钟下降过程的近似模拟,特别包括了剪切应力的描绘,即影响表面区域侵蚀程度的侧向力。在片段中,低剪切应力用深紫色表示,而高剪切应力区域则用黄色显示。

今后,该团队打算优化该工具的源代码,并整合增加的计算资源。这些升级将允许更出色、更高保真度的模拟,以微调阿尔忒弥斯着陆程序,并可能规划远远超出月球表面的着陆任务。

 

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