Als het tijd is voor NASA om astronauten terug te sturen naar de maan en verder naar Mars, zullen er een aantal nieuwe ruimtevaartuigsystemen in het spel komen. Deze omvatten het Space Launch System (SLS), de krachtigste raket ooit gebouwd, en het Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) - een ruimtevaartuig van de volgende generatie dat bemanningen zal vervoeren voorbij Low Earth Orbit (LEO).
Voordat een van deze systemen missies kan uitvoeren, moeten er natuurlijk uitgebreide tests worden uitgevoerd om er zeker van te zijn dat ze veilig zijn en goed zullen presteren. In deze geest voeren NASA Advanced Supercomputing (NAS) -onderzoekers momenteel zeer gedetailleerde simulaties en visualisaties uit om ervoor te zorgen dat het Launch Abort Vehicle (LAV) van het Orion-ruimtevaartuig de bemanning veilig houdt, mocht zich tijdens de start een noodsituatie voordoen.
Kortom, de LAV is de gecombineerde configuratie van het Orion Launch Abort System (LAS) en de bemanningsmodule, en is ontworpen om de bemanning in veiligheid te brengen als zich een noodsituatie voordoet op het lanceerplatform of tijdens de eerste twee minuten van de vlucht. Deze simulatie- en visualisatietechnieken, die werden uitgevoerd met de Pleiades-supercomputer in het NASA Ames Research Center, voorspellen hoe trillingen de lancering van het Orion-ruimtevaartuig tijdens het opstijgen zullen beïnvloeden.
Deze tests helpen niet alleen bij de ontwerpinspanningen van de Orion LAV-motor (een samenwerkingsverband tussen NASA en Orion-hoofdaannemer Lockheed Martin), maar zijn ook ongekend wat betreft de ontwikkeling van ruimtevaartuigen. Francois Cadieux, een onderzoekswetenschapper in de NAS Computational Aerosciences Branch, legde uit:
“Dit is een van de eerste keren dat grote eddy simulation (LES) -technieken worden gebruikt bij de analyse en het ontwerp van ruimtevaartuigen op grote schaal bij NASA. Ik ben verheugd om een rol te spelen in het volgende grote project van de ruimtevaartorganisatie van de dienst - dit werk brengt LES op een punt waar het nauwkeurige voorspellingen kan geven binnen een korte doorlooptijd om het ontwerp van Orion te begeleiden. "
Voorheen was het gebruik van dergelijke high-fidelity-tools grotendeels beperkt tot academisch onderzoek en niet iets waar aannemers uit de particuliere sector van zouden kunnen profiteren. Samen met Michael Barad - een ruimtevaartingenieur bij het Ames Research Center - produceerde Cadieux een verscheidenheid aan turbulentie-oplossende computational fluid dynamics (CFD) simulaties met behulp van de door NAS ontwikkelde Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics (LAVA) -software.
Ze werden bijgestaan door NAS-visualisatie-experts, die de onderzoekers hielpen bij het identificeren van verschillende soorten wervelingen die geluid en trillingen kunnen veroorzaken. Met behulp van deze simulatiegegevens creëerden de visualisatie-experts een reeks afbeeldingen en films van hoge kwaliteit die illustreerden wat voor soort stromingsdynamiek de Orion LAS zou ervaren tijdens een lanceringsonderbreking. Zoals Cadieux uitlegde:
“Met deze visualisaties konden we gebieden met hoge trillingsbelastingen op het voertuig en hun bronnen identificeren. Wat we hebben geleerd, is dat het geluid afkomstig van de turbulentie van de pluim aanzienlijk hoger is dan enig geluid dat wordt gegenereerd door de interactie met aangehechte schokgolven. ”
De onderstaande video toont de simulatie van een opstijgingsonderbrekingsscenario, waarbij de LAS zich heeft losgemaakt van de SLS en met de snelheid van het geluid reist. Het proces van afbreken begint met de ontsteking van de LAS-motor en vertraagt dan naarmate de druk en de luchtstroom bijzonder zwaar worden.
De gekleurde pluimen geven hoge druk (rood) en lage druk (blauw) aan, waarbij pixels veranderen van blauw in rood (en omgekeerd) in relatie tot drukgolven die trillingen op het voertuig veroorzaken (wit). De gebieden waar de kleur abrupt verandert, maar in de loop van de tijd over het algemeen blauw of rood blijft, duiden op de aanwezigheid van schokgolven. Uiteindelijk hebben deze simulaties een directe invloed op het ontwerp van het ruimtevaartuig en zullen ze de veiligheid van astronauten en de prestaties van ruimtevaartuigen helpen garanderen.
"We stellen nog steeds veel vragen", zei Cadieux. “Zoals, hoe veranderen de belastingen op het LAV-oppervlak bij hogere invalshoeken? Hoe kunnen we de gegevens van windtunneltests het beste gebruiken om ladingen te voorspellen voor werkelijke vluchtomstandigheden waarbij het voertuig accelereert? "
De antwoorden op deze vragen zullen worden gebruikt om de volgende serie grondtesten, mockup-tests van de bemanning en kritische vluchttests te ontwerpen, die het Orion-ruimtevaartuig zullen voorbereiden op zijn eerste bemande missie - Exploration Mission 2 (EM-2). Deze missie, die gepland staat voor lancering in 2023, zal bestaan uit vier bemanningsleden die een maanparade uitvoeren en de eerste componenten voor de Deep Space Gateway afleveren.
Bekijk ook de simulatievideo, met dank aan het NASA Ames Research Center:
