När det är dags för NASA att skicka astronauter tillbaka till månen och vidare till Mars kommer ett antal nya rymdskeppssystem att spelas in. Dessa inkluderar Space Launch System (SLS), den mest kraftfulla raket som någonsin har byggts och Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) - ett nästa generations rymdskepp som kommer att bära besättningar bortom Low Earth Orbit (LEO).
Innan något av dessa system kan utföra uppdrag måste det naturligtvis göras omfattande tester för att säkerställa att de är säkra och kommer att fungera bra. I denna anda genomför NASA Advanced Supercomputing (NAS) forskare för närvarande mycket detaljerade simuleringar och visualiseringar för att säkerställa att Orion-rymdskeppets Launch Abort Vehicle (LAV) kommer att hålla besättningarna säkra, om en nödsituation skulle inträffa under start.
I grund och botten är LAV den kombinerade konfigurationen av Orion Launch Abort System (LAS) och besättningsmodulen och är utformad för att få besättningen i säkerhet om en nödsituation inträffar på startplattan eller under de första två minuterna av flygningen. Dessa simulerings- och visualiseringstekniker, som genomfördes med Pleiades-superdatorn vid NASA Ames Research Center, förutsäger hur vibrationer kommer att påverka Orion-rymdskeppets lanseringsabort under start.
Dessa test hjälper inte bara till designen av Orion LAV-motoren (ett samarbete mellan NASA och Orion huvudentreprenör Lockheed Martin), de är också ganska oöverträffade när det gäller rymdskeppsutveckling. Som Francois Cadieux, en forskare inom NAS Computational Aerosciences Branch, förklarade:
”Det här är en av de första gångerna där tekniker med stor virvelsimulering (LES) har använts i rymdskeppsanalys och design på NASA. Jag är glad över att spela en roll i byråns nästa stora projekt för utforskning av mänskliga rymden - det här arbetet ger LES till en punkt där det kan ge exakta förutsägelser inom en tillräckligt kort tid för att styra Orions design. "
Tidigare har användningen av sådana högkvalitativa verktyg till stor del begränsats till akademisk forskning, och inte något som privata entreprenörer kunde dra nytta av. Tillsammans med Michael Barad - en flyg- och rymdingenjör på Ames Research Center - producerade Cadieux en mängd olika turbulensupplösande beräkningssymboler (CFD) med hjälp av den NAS-utvecklade programvaran Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics (LAVA).
De fick hjälp av NAS-visualiseringsexperter, som hjälpte forskarna att identifiera olika typer av virvlar som kan orsaka brus och vibrationer. Med hjälp av dessa simuleringsdata skapade visualiseringsexperter en serie bilder och filmer av hög kvalitet som illustrerade vilken typ av flödesdynamik Orion LAS skulle uppleva under en lanseringsavbrott. Som Cadieux förklarade:
”Från dessa visualiseringar kunde vi identifiera områden med höga vibrationsbelastningar på fordonet och deras källor. Vad vi lärde oss är att buller från turbulensen i plommen är väsentligt högre än något brus som genereras från dess interaktion med bifogade chockvågor. "
Videon nedan visar simuleringen av ett stigande abort-scenario, där LAS har lossnat från SLS och reser nära ljudets hastighet. Abortprocessen initieras med tändning av LAS-motorn och bromsar sedan när tryck- och luftflödesförhållandena blir särskilt hårda.
De färgade plommorna indikerar högt tryck (rött) och lågt tryck (blått), med pixlar som byter från blått till rött (och vice versa) i förhållande till tryckvågor som orsakar vibrationer på fordonet (vitt). Regionerna där färgen ändras plötsligt, men förblir generellt sett blå eller röd över tiden, indikerar förekomsten av chockvågor. I slutändan påverkar dessa simuleringar rymdfarkostens design direkt och kommer att bidra till att säkerställa astronautens säkerhet och rymdfarkostens prestanda.
"Vi ställer fortfarande massor av frågor", sade Cadieux. ”Liksom, hur förändras belastningarna på LAV-ytan vid högre angreppsvinklar? Hur använder vi data från vindtunneltest bäst för att förutsäga laster för faktiska flygförhållanden där fordonet accelererar? ”
Svaren på dessa frågor kommer att användas för att utforma nästa serie marktester, besättningsmockuptester och kritiska flygtester, som kommer att förbereda rymdskeppet Orion för sitt första besättningsuppdrag - Exploration Mission 2 (EM-2). Detta uppdrag, som beräknas lanseras år 2023, kommer att bestå av fyra besättningsmedlemmar som utför en månflygning och levererar de första komponenterna för Deep Space Gateway.
Se till att också kolla in simuleringsvideoen, med tillstånd av NASA Ames Research Center:
