Когда НАСА придет время отправлять астронавтов обратно на Луну и на Марс, в игру вступит целый ряд новых космических систем. К ним относятся система космического запуска (SLS), самая мощная ракета из когда-либо созданных, и многоцелевая экипажная машина Orion (MPCV) - космический корабль следующего поколения, который будет перевозить экипажи за пределами низкой околоземной орбиты (LEO).
Естественно, прежде чем любая из этих систем сможет выполнять миссии, необходимо провести обширное тестирование, чтобы убедиться, что они безопасны и будут работать хорошо. Исходя из этого, ученые НАСА по усовершенствованным суперкомпьютерам (NAS) в настоящее время проводят очень подробные моделирования и визуализации, чтобы гарантировать, что космический корабль «Орион» (LAV) космического корабля Orion будет обеспечивать безопасность экипажей в случае возникновения чрезвычайной ситуации во время взлета.
По сути, LAV представляет собой комбинированную конфигурацию системы прерывания запуска Orion (LAS) и модуля экипажа и предназначен для обеспечения безопасности экипажа в случае возникновения аварийной ситуации на стартовой площадке или в течение первых двух минут полета. Эти методы моделирования и визуализации, которые проводились на суперкомпьютере Pleiades в Исследовательском центре Эймса НАСА, позволяют предсказать, как вибрации повлияют на аппарат, прерывающий запуск космического корабля «Орион» во время взлета.
Эти тесты не только помогают в разработке двигателя Orion LAV (совместная работа НАСА и генерального подрядчика Orion Lockheed Martin), но и беспрецедентны в плане разработки космического корабля. Франсуа Кадье, научный сотрудник Отделения вычислительной авиации НАН, объяснил:
«Это один из первых случаев, когда методы крупномасштабного вихревого моделирования (LES) использовались для полномасштабного анализа и проектирования космических аппаратов в НАСА. Я взволнован, чтобы принять участие в следующем крупном проекте агентства по освоению космоса человеком - эта работа приводит LES к точке, где она может предоставить точные прогнозы в течение достаточно короткого времени, необходимого для разработки дизайна Orion ».
Ранее использование таких высокоточных инструментов в значительной степени ограничивалось научными исследованиями, и частные подрядчики не могли этим воспользоваться. Совместно с Майклом Барадом - инженером по аэрокосмическим исследованиям в исследовательском центре Эймса - Cadieux разработал разнообразные симуляции вычислительной гидродинамики (CFD) с разрешением турбулентности с использованием разработанного NAS программного обеспечения Launch Ascent и Vehicle Aerodynamics (LAVA).
Им помогали эксперты по визуализации NAS, которые помогли исследователям идентифицировать различные типы вихрей, которые могут вызывать шум и вибрации. Используя эти данные моделирования, эксперты по визуализации создали серию высококачественных изображений и видеороликов, которые иллюстрировали, какую динамику потока будет испытывать Orion LAS во время прерывания запуска. Как объяснил Кадье:
«Из этих визуализаций мы смогли определить области высоких вибрационных нагрузок на автомобиль и их источники. Мы узнали, что шум от турбулентности шлейфа значительно выше, чем шум от его взаимодействия с присоединенными ударными волнами ».
На видео ниже показано моделирование сценария прерывания восхождения, когда LAS отсоединился от SLS и движется со скоростью, близкой к скорости звука. Процесс прерывания начинается с зажигания двигателя LAS, а затем замедляется, когда давление и условия воздушного потока становятся особенно жесткими.
Цветные шлейфы обозначают высокое давление (красный) и низкое давление (синий), причем пиксели меняются с синего на красный (и наоборот) по отношению к волнам давления, которые вызывают вибрации на автомобиле (белый). Области, где цвет резко меняется, но остается в основном синим или красным с течением времени, указывает на наличие ударных волн. В конце концов, эти симуляции напрямую влияют на конструкцию космического корабля и помогут обеспечить безопасность астронавта и эффективность космического корабля.
«Мы все еще задаем много вопросов», - сказал Кадье. Например, как меняются нагрузки на поверхность LAV при больших углах атаки? Как лучше всего использовать данные испытаний в аэродинамической трубе для прогнозирования нагрузок для реальных условий полета, когда транспортное средство ускоряется? »
Ответы на эти вопросы будут использованы для разработки следующей серии наземных испытаний, макетов экипажа и критических летных испытаний, которые подготовят космический корабль Орион к его первой миссии с экипажем - Исследовательская миссия 2 (EM-2). Эта миссия, запуск которой запланирован на 2023 год, будет состоять из четырех членов экипажа, выполняющих полет на Луну и доставляющих первые компоненты для Глубоководных ворот.
Обязательно посмотрите видео-симуляторы, любезно предоставленные Исследовательским центром Эймса НАСА:
