Når det er tid for NASA at sende astronauter tilbage til Månen og videre til Mars, vil et antal nye rumfartøjssystemer komme i spil. Disse inkluderer Space Launch System (SLS), den mest kraftfulde raket, der nogensinde er blevet bygget, og Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) - et næste generations rumfartøj, der vil føre besætninger ud over Low Earth Orbit (LEO).
Inden et af disse systemer kan udføre opgaver, skal det naturligvis udføres omfattende test for at sikre, at de er sikre og vil fungere godt. I denne ånd foretager NASA Advanced Supercomputing (NAS) forskere i øjeblikket meget detaljerede simuleringer og visualiseringer for at sikre, at Orion-rumfartøjets Launch Abort Vehicle (LAV) vil holde besætningerne i sikkerhed, hvis der skulle opstå en nødsituation under start.
Grundlæggende er LAV den kombinerede konfiguration af Orion Launch Abort System (LAS) og besætningsmodul, og er designet til at få besætningen i sikkerhed, hvis der opstår en nødsituation på startpuden eller i løbet af de første to minutters flyvning. Disse simulerings- og visualiseringsteknikker, der blev udført med Pleiades-supercomputeren på NASA Ames Research Center, forudsiger, hvordan vibrationer vil påvirke Orion-rumfartøjets køretøj for lancering af abort under start.
Disse tests hjælper ikke kun med design af Orion LAV-motoren (en samarbejdsindsats mellem NASA og Orion hovedentreprenør Lockheed Martin), de er også temmelig hidtil uset, hvad angår udvikling af rumfartøjer. Som Francois Cadieux, en forsker i NAS Computational Aerosciences Branch, forklarede:
”Dette er en af de første gange, hvor teknikker til stor hvirvelsimulering (LES) er blevet anvendt i fuldskala rumfartøjsanalyse og design på NASA. Jeg er begejstret over at spille en rolle i agenturets næste store projekt til efterforskning af menneskelige rum - dette arbejde bringer LES til et punkt, hvor det kan give nøjagtige forudsigelser inden for en kort nok omdrejningstid til at vejlede Orions design. ”
Tidligere har brugen af sådanne værktøj til høj kvalitet været stort set begrænset til akademisk forskning, og ikke noget, som den private erhvervsentreprenør kunne drage fordel af. Sammen med Michael Barad - en luftfartsingeniør ved Ames Research Center - producerede Cadieux en række turbulensopløsende computational fluid dynamics (CFD) simuleringer ved hjælp af den NAS-udviklede Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics (LAVA) software.
De blev hjulpet af NAS-visualiseringseksperter, der hjalp forskerne med at identificere forskellige typer hvirvler, der kan forårsage støj og vibrationer. Ved hjælp af disse simuleringsdata oprettede visualiseringseksperterne en række billeder og film i høj kvalitet, der illustrerede, hvilken slags strømningsdynamik Orion LAS ville opleve under en lanceringsafbrydelse. Som Cadieux forklarede:
”Fra disse visualiseringer kunne vi identificere områder med stor vibrationsbelastning på køretøjet og deres kilder. Det, vi lærte, er, at støj, der kommer fra turbulensen i plummen, er væsentligt højere end al støj, der genereres fra dens interaktion med vedhæftede stødbølger. ”
Videoen nedenfor viser simuleringen af et opstigningsscenario, hvor LAS har løsrevet sig fra SLS og rejser tæt på lydhastigheden. Abortprocessen initieres med tænding af LAS-motoren og bremses derefter, efterhånden som tryk- og luftstrømningsbetingelserne bliver særligt hårde.
De farvede huler angiver højt tryk (rød) og lavt tryk (blå), med pixels, der skifter fra blå til rød (og vice versa) i forhold til trykbølger, der forårsager vibrationer på køretøjet (hvid). Regionerne, hvor farven skifter pludseligt, men forbliver generelt blå eller rød over tid, indikerer tilstedeværelsen af chokbølger. I sidste ende påvirker disse simuleringer direkte rumfartøjets design og vil hjælpe med at sikre astronaut-sikkerhed og rumfartøjsydelse.
”Vi stiller stadig mange spørgsmål,” sagde Cadieux. ”Ligesom, hvordan ændres belastningerne på LAV-overfladen i højere angrebsvinkler? Hvordan bruger vi bedst data fra vindtunneltest til at forudsige belastninger for faktiske flyforhold, hvor køretøjet accelererer? ”
Svarene på disse spørgsmål vil blive brugt til at designe den næste række jordtest, besætningens mockup-test og kritiske flyvetest, som vil forberede Orion-rumfartøjet til sin første besætningsopgave - Exploration Mission 2 (EM-2). Denne mission, der er planlagt til lancering i 2023, vil bestå af fire besætningsmedlemmer, der udfører en måneflyvning og leverer de første komponenter til Deep Space Gateway.
Sørg for også at tjekke simuleringsvideoen, med tilladelse fra NASA Ames Research Center:
