Cinq façons dont le calcul intensif de la NASA fait passer les missions du concept à la réalité

L'informatique haut de gamme de la NASA joue un rôle clé en faisant passer de nombreuses missions de l'agence du concept à l'application dans le monde réel. De l'augmentation de la précision des prévisions météorologiques mondiales pour les organismes de prévision (comme la NOAA) pour avertir des tempêtes violentes, aux conceptions des futurs taxis aériens pour transporter les gens en toute sécurité autour des zones urbaines, aux tests de conception des parachutes pour l'atterrissage des engins spatiaux sur la Lune et sur d'autres planètes, nos supercalculateurs les ressources et les experts stimulent les progrès scientifiques et techniques au profit de l’humanité.

1. Simulation de la sécurité des taxis aériens près du sol
Avec le développement des véhicules de mobilité aérienne urbaine (UAM), dans un avenir proche, les gens pourraient héler des taxis aériens. Les chercheurs qui étudient les performances aérodynamiques de plusieurs modèles d'UAM se concentrent cette année sur des simulations pour analyser les performances de ces véhicules près du sol. De nombreux concepts d'avions UAM de l'agence sont équipés de rotors, tout comme les hélicoptères. Les superordinateurs de l'installation NASA Advanced Supercomputing (NAS) du centre de recherche Ames de la NASA, dans la Silicon Valley en Californie, exécutent des simulations complexes et haute fidélité de la dynamique des fluides informatiques qui capturent en détail l'interaction entre les rotors, d'autres composants du véhicule et la surface du sol. Ces simulations permettent aux scientifiques de mieux comprendre l'aérodynamique des véhicules et l'écoulement induit par le rotor autour des véhicules afin de détecter les zones potentiellement dangereuses avec des vents et des rafales violentes. Les données de simulation permettent à l'équipe de prédire les changements dans la façon dont les UAM se comportent près du sol et de fournir des lignes directrices pour un mouvement sûr de l'équipage et des passagers à proximité des véhicules.

Le quadricoptère taxi aérien de six passagers de la NASA en vol stationnaire (hors effet de sol). Le critère Q - une mesure de la quantité de tourbillon dans l'écoulement aérodynamique - les isosurfaces colorées avec l'ampleur du tourbillon montrent le sillage du vortex, où le bleu est faible et le magenta est élevé. En arrière-plan, le coefficient de pression est affiché, le noir étant faible et le blanc élevé. Comprendre le flux complexe et les interactions aérodynamiques des véhicules multirotors est essentiel pour concevoir les futurs taxis aériens. NASA/Patricia Ventura Diaz

2. Prédire les tempêtes les plus fortes dans un modèle informatique mondial
Le combustible courant des orages violents, des tornades et des ouragans est la convection – de vigoureux mouvements de haut en bas de l’atmosphère qui transportent verticalement la chaleur et l’humidité. Les centres de prévision météorologique opérationnels prédisent généralement le temps à l’échelle convective à l’aide de modèles informatiques régionaux à zone limitée, car les modèles globaux à résolution de convection nécessitent trop de puissance de calcul. Des chercheurs du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, ont adapté leur modèle mondial Goddard Earth Observing System (GEOS) pour appliquer des résolutions de grille plus fines de 2 à 4 kilomètres (environ 1,25 à 2,5 miles) au-dessus de la zone continentale des États-Unis. Les prévisions GEOS exécutées sur le supercalculateur Discover du Centre de simulation climatique de la NASA (NCCS) et sur le supercalculateur Aitken de NAS étendent la prévisibilité des tempêtes les plus fortes au-delà de deux jours tout en représentant mieux les impacts locaux des précipitations intenses, des vents et de la chaleur. Les simulations en cours ont suivi avec précision les événements météorologiques extrêmes de 2023, notamment les ouragans Idalia et Lee et la tempête tropicale Ophelia.

L'ouragan Idalia a touché terre le long de la côte nord du golfe de Floride le 30 août 2023. Réflectivité radar issue des observations (à gauche) et des simulations du modèle Goddard Earth Observing System (GEOS) à 4 kilomètres (2,5 milles) (au centre) et 12 kilomètres. (7,5 milles) (à droite) visualisent la structure interne d'Idalia. Alors que les deux prévisions GEOS ont capturé l'atterrissage d'Idalia quelques jours à l'avance, la prévision sur 4 kilomètres a amélioré les représentations des valeurs de pression centrale, des vitesses de vent près de la surface, d'un œil très compact et d'une convection en bandes en spirale vers l'intérieur depuis le sud-est. NASA/William Putman

3. Protéger les capsules spatiales lors de l'entrée, de la descente et de l'atterrissage planétaires
Les capsules spatiales de la NASA sont conçues pour survivre en pénétrant dans les atmosphères planétaires à des vitesses hypersoniques et protéger leurs charges utiles – ou leur équipage – des températures extrêmes qui se produisent lors de l'entrée. En plus de la chaleur, le vaisseau spatial peut également rencontrer des instabilités car il est ralenti par la traînée aérodynamique lors de la descente. Pour quantifier et comprendre ce danger supplémentaire, les chercheurs de la NASA Ames ont utilisé les supercalculateurs Pléiades et Electra de l'agence pour simuler les conditions de vol libre des capsules pendant toute la trajectoire d'entrée planétaire. Ces simulations complexes sont utilisées pour analyser la dynamique de vol des capsules et identifier les risques que les instabilités peuvent poser au cours de la dernière étape de la trajectoire de vol. Les analyses qui en résultent aident les ingénieurs à concevoir des véhicules d'entrée pour l'exploration planétaire, contribuant ainsi à assurer le succès des programmes de la NASA, notamment Artemis et la prochaine mission Dragonfly sur la plus grande lune de Saturne, Titan.

Simulation de vol libre du véhicule Adaptable Deployable Entry and Placement Technology montrant le critère Q, qui est une mesure de la quantité de tourbillon dans le flux aérodynamique. Les iso-contours indiquent la structure du vortex, indiquant un tourbillon inférieur en bleu et un tourbillon supérieur en rouge. NASA/Joseph Brock

4. Transformer et représenter les données des sciences de la Terre
Depuis la création de l'agence en 1958, la NASA a pour mission de diffuser largement des informations sur ses activités et ses résultats. Un nouvel effort de communication publique de la NASA est le Earth Information Center (EIC), qui présente des visualisations de données brutes d'observation et de modèles sur un ensemble de tableaux de bord disposés comme un centre de contrôle de mission de la NASA pour notre planète. L'installation EIC au siège de la NASA à Washington comprend un hypermur à plusieurs panneaux permettant d'afficher des animations grand format entourées de portails plus petits représentant un certain nombre de « signes vitaux » de la Terre. Les diverses sources de données comprennent des simulations exécutées sur le supercalculateur NCCS Discover et des observations provenant de satellites et d'instruments au sol gérés par la NASA et ses partenaires. Depuis son ouverture fin juin 2023, l'EIC a attiré une grande variété de visiteurs, des dignitaires aux élèves du primaire. En outre, les informations de l'EIC aident les décideurs politiques, les scientifiques et les utilisateurs de données de la NASA tels que les agriculteurs, les propriétaires d'entreprises et les chercheurs.

Les tableaux de bord du Earth Information Center (EIC) comprennent (à gauche) des visualisations générées par des simulations exécutées sur le supercalculateur Discover du Center for Climate Simulation de la NASA et (à droite) une « Image du jour » et des « Signes vitaux » de la planète compilés par la NASA et son partenaire. observations de l’agence. NASA/Brenda Lopez Silva, Michael Chyatte

5. Utilisation d’agents scientifiques embarqués autonomes pour l’exploration planétaire
Les chercheurs de l'initiative Distributed Systems Missions de la NASA Goddard s'efforcent de permettre des missions dans l'espace lointain qui soient adaptables et capables d'interpréter et de répondre de manière autonome aux données scientifiques nouvellement collectées à l'aide d'un « agent » logiciel embarqué plutôt que d'attendre de nouvelles instructions de la Terre à chaque phase de leur mission. la mission. Pour tester cette nouvelle conception de mission autonome, ils ont choisi Encelade, une lune océanique glacée de Saturne et l’une des cibles les plus prometteuses pour rechercher la vie dans notre système solaire. Dans un scénario de mission simulé, les scientifiques ont modélisé diverses trajectoires et orbites de huit petits vaisseaux spatiaux pour produire ce qui serait la première constellation stable autour d'Encelade à fournir une couverture mondiale de la Lune pour la collecte d'observations scientifiques. L’équipe a déployé son agent scientifique embarqué autonome pour analyser les données simulées en « temps réel ». L'agent utilise plusieurs modèles d'apprentissage automatique pour traiter et interpréter les quantités relatives de divers composés détectés dans les panaches de glace d'Europe – indicateurs de la possibilité de vie – interprète ces données de manière autonome, puis prend des décisions ayant un impact sur l'analyse de suivi ou la transmission de données prioritaires en fonction des données préalables. -objectifs de mission programmés.

Avec son panache constant d'eau liquide souterraine projetée dans l'espace, la lune de Saturne, Encelade, est un candidat probable pour une étude d'astrobiologie dans le cadre d'une future mission de la NASA utilisant un vaisseau spatial autonome. Dans cette visualisation de cette mission, le système embarqué (agent scientifique) suit les huit vaisseaux spatiaux de la constellation (fenêtre supérieure centrale). Lorsque la piste au sol s'allume (s'affiche en blanc), l'animation dans la fenêtre de gauche montre une vue rapprochée de la position de ce vaisseau spatial. Le champ de vision du vaisseau spatial est représenté par un cône vert (représentant un volume d'espace) et un rectangle vert correspondant (sur la surface). Ces positions des engins spatiaux pourraient être modifiées si les résultats des données scientifiques le recommandent fortement, et ces changements peuvent être exécutés de manière autonome et en toute sécurité.

Pour plus d’informations sur les supercalculateurs gérés par NASA High-End Computing, visitez :
https://hec.nasa.gov/
Auteurs : Jill Dunbar et Michelle Moyer, Ames Research Center de la NASA, et Jarrett Cohen et Sean Keefe, Goddard Space Flight Center de la NASA