خلف الكواليس في وكالة ناسا: الحواسيب العملاقة تعزز نجاح مهمة ناسا
سواء كان تطوير تقنيات جديدة للهبوط على كواكب أخرى، أو تحسين السفر الجوي هنا في المنزل، أو محاكاة الطقس والمناخ العالميين بشكل أكثر واقعية، فإن الحوسبة الفائقة هي مفتاح نجاح مهمات ناسا. فيما يلي 5 طرق تبتكرها ناسا مؤخرًا بمساعدة أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية.
يُظهر تصور تدفق الهواء هذا إيقاظ دوامة لمركبة التنقل الجوي المتقدمة التي تتسع لستة ركاب من وكالة ناسا في رحلة بحرية أو “وضع الطائرة”. تكشف هذه الصورة عن مدى تعقيد التدفق لتكوين مائل متعدد الدوار، حيث تتفاعل العديد من الدوارات مع بعضها البعض، والجناح، وجسم الطائرة. الائتمان: ناسا / باتريشيا فينتورا ديازفيستا
1. تصميم سيارات أجرة جوية آمنة وفعالة.
باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية التابعة لوكالة ناسا، يقوم الباحثون بمحاكاة الأداء الديناميكي الهوائي للعديد من تكوينات مركبات التاكسي الجوي الواعدة التي ستنقل يومًا ما الركاب والبضائع في المناطق الحضرية والضواحي. سيتم استخدام عمليات المحاكاة شديدة التعقيد للمساعدة في تصميم وتطوير سيارات الأجرة الجوية المستقبلية – وتسمى أيضًا مركبات التنقل الجوي المتقدم (AAM) – والتي ستكون آمنة وهادئة وفعالة.
تلعب وكالة ناسا دورًا مهمًا في تطوير AAM من خلال تحديد مجالات البحث الرئيسية ووضع تصور لتصميم مركبات AAM. تركز عمليات المحاكاة الحديثة على أداء سيارات AAM ذات مفهوم الدوران الهادئ والهادئ أحادي الاتجاه. تم إجراء عمليات المحاكاة على أجهزة الكمبيوتر العملاقة، مثل Aitken ، في منشأة NASA Advanced Supercomputing (NAS) في مركز أبحاث Ames التابع للوكالة في Silicon Valley في كاليفورنيا، والتي سمحت بحل مثل هذه المحاكاة المعقدة في غضون أيام قليلة. إن فهم هياكل التدفق المعقدة في هذه الطائرات ذات الأجنحة الدوارة هو مفتاح الوصول إلى أداء AAM وأهداف مستوى الضوضاء.
صورة لمحاكاة تجارب أبحاث التضخم بالمظلات الأسرع من الصوت (ASPIRE) التي تُظهر ديناميكيات تفاعل هيكل السوائل وسرعة التدفق النسبية (رقم Mach ، حيث يكون اللون الأصفر مرتفعًا، ويكون اللون الأسود منخفضًا). تهدف هذه المحاكاة إلى مطابقة قوى التضخم الذروة التي ستحدث أثناء اختبار الطيران الأول لـ ASPIRE. الائتمان: ناسا / مايكل باراد وجوناثان بستاني
2. الحفاظ على سلامة المركبات الكوكبية أثناء عمليات الإنزال المحفوفة بالمخاطر.
يُطلق على تسلسل الدخول والنزول والهبوط (EDL) لمركبات هبوط المريخ التابعة لوكالة ناسا اسم “سبع دقائق من الرعب”، لأن مئات الأحداث الحرجة يجب أن تحدث بنجاح – دون تدخل من الأرض، بسبب تأخر الإشارة بين الاثنين الكواكب. بعد حوالي أربع دقائق من الهبوط، تنشر المركبة الفضائية مظلة يجب أن تنتفخ بشكل متساوٍ قدر الإمكان، على الرغم من هبوب الهواء المضطرب، ودون أي تمزقات أو تمزقات في القماش المنسوج بإحكام. هذا هو أحد الجوانب الأكثر خطورة في شركة كهرباء لبنان ومن المعروف أن التنبؤ به يمثل تحديًا.
باستخدام الكمبيوتر العملاق Aitken التابع للوكالة، يعمل المهندسون في Ames على تطوير القدرة على تقليل المخاطر والتكلفة من خلال محاكاة وتحليل العديد من سيناريوهات تضخم المظلات الأسرع من الصوت، والتي ستكون مكلفة للغاية للدراسة باستخدام اختبارات الطيران. ميزة أخرى للمحاكاة هي أنه يمكن استخراج تفاصيل دقيقة – فهذه المعلومات يمكن أن تساعد المهندسين على تطوير أنظمة EDL من الجيل التالي القادرة على التعامل مع الحمولات الثقيلة لبعثات المريخ الروبوتية المستقبلية، مثل عودة عينة المريخ.
يُظهر هذا التصور محاكاة نقل الحرارة على مادة ليفية تشبه اللباد مصنوعة من الكربون / الجرافيت باستخدام برنامج تحليل البنية المجهرية المسامية (PuMA) التابع لوكالة ناسا. في المحاكاة، يتم فرض تدرج درجة حرارة صغير عبر بنية مجهرية للمادة، ويتم تحديد ملف درجة حرارة الحالة المستقرة وتدفق الحرارة. الائتمان: ناسا / جوزيف فيرجسون، جامعة ستانفورد؛ فيديريكو سيمرارو وجون ثورنتون، ناسا / أميس
3. نمذجة مواد الدرع الحراري للمركبة الفضائية بالمقياس المجهري.
يستخدم برنامج تحليل البنية المجهرية المسامية (PuMA) التابع لوكالة ناسا التصوير المجهري بالأشعة السينية لتوليد صور ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للهيكل الداخلي للمادة. يوفر PuMA ، الذي تم تطويره في Ames ، رؤى غير مسبوقة للمواد المستخدمة في الدروع الحرارية للمركبات الفضائية، والمظلات الأسرع من الصوت، ولتحليل النيازك. يستخدم باحثو ناسا PuMA لتطوير مواد جديدة لنظام الحماية الحرارية (TPS) لبعثات الفضاء المستقبلية، وتوفر أجهزة الكمبيوتر الفائقة عالية الأداء التابعة لناسا لعلماء المواد القدرة على تشغيل نمذجة كاملة النطاق على البنية الدقيقة للمادة. يساعد هذا في ضمان سلامة المركبات الفضائية المستقبلية، خاصة خلال مرحلة الهبوط الخطرة.
بينما تم إنشاء هذا البرنامج مفتوح المصدر في الأصل كأداة للتنبؤ بخصائص المواد لـ TPS للمركبات الفضائية، توسعت PuMA لتزويد العلماء بالقدرة على الجمع بين توليد المواد – من الأشكال البسيطة إلى الأشكال الهندسية المنسوجة الليفية المعقدة – مع دراسات لأداء المواد، مثل الموصلية والمرونة والنفاذية وحتى طريقة تأكسدها.
وصل الإعصار المداري الهاجيبيس في غرب المحيط الهادئ إلى حالة الإعصار الفائق في 7 أكتوبر 2019. الصورة الداخلية عبارة عن صورة أقمار صناعية ذات ضوء مرئي من القمر الصناعي هيماراوي 8 في 10 أكتوبر 2019. الصورة الأكبر مرئية صورة سحابية تم إنتاجها بواسطة نموذج GEOS التجريبي. عين هاجيبس واضحة المعالم، مليئة بسحب ضحلة منخفضة المستوى تحيط بها نطاقات الحمل الحراري العميقة وتدفق طويل من السحب يتم سحبها إلى نظام أمامي خارج استوائي إلى الشمال الشرقي. الائتمان: ناسا / وليام بوتنام
4. التنبؤ بالطقس والمناخ للحفاظ على سلامة الإنسان.
تعمل وكالة ناسا على دفع حافة القدرة على النمذجة من خلال إنشاء دقة تبلغ 1.5 كيلومتر (حوالي ميل واحد)، التوأم الرقمي العالمي للأرض باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة. يستخدم مكتب النمذجة والاستيعاب العالمية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند بيانات الرصد التاريخية لمحاكاة طقس ومناخ نظام الأرض. يعد نموذج نظام مراقبة الأرض العالمي (GEOS) ونظام الاستيعاب التابع لوكالة ناسا النظام الرائد للوكالة لتعزيز استخدام عمليات رصد الأرض المكثفة التي تقوم بها وكالة ناسا.
مع التوسع الهائل في قدرات التعلم الآلي وتحسين نماذج البرمجة لوحدات معالجة الرسومات فائقة السرعة، تستعد GEOS الآن لتوفير إطار تجريبي داخل وكالة ناسا لدراسات الطقس والمناخ. سيكون لنموذج GEOS مجموعة من القدرات بما في ذلك نمذجة نظام المحيط والغلاف الجوي المقترن بالأرض، والدراسات المتقدمة لانبعاثات الكربون، والنقل بدقة فائقة.
خريطة لمحاكاة درجة حرارة سطح كوكب الزهرة قبل ثلاث مليارات سنة، بمحيط ديناميكي يبلغ عمقه 310 أمتار. درجات الحرارة في القارات حول أو تحت نقطة تجمد الماء. هذا لأن الكوكب يدور ببطء شديد، وتصبح القارات باردة جدًا أثناء ليل كوكب الزهرة. الائتمان: ناسا / مايكل واي
5. استكشاف الماضي والحاضر والمستقبل للكواكب داخل وخارج نظامنا الشمسي.
تشبه أجهزة الكمبيوتر العملاقة “آلات الزمن” الحسابية، ويستخدمها العلماء لاستكشاف الكون في الماضي والحاضر والمستقبل. باستخدام الكمبيوتر الفائق اكتشف مركز محاكاة المناخ التابع لناسا ونموذج الكمبيوتر ROCKE-3D، يقوم علماء من معهد جودارد لدراسات الفضاء التابع لناسا في نيويورك بمحاكاة مناخات الكواكب داخل وخارج نظامنا الشمسي. تُظهر هذه المحاكاة أنه قبل ثلاث مليارات عام، ربما كان كوكب الزهرة، أقرب الكواكب المجاورة للأرض، معتدلًا لفترة طويلة بما يكفي لامتلاك محيط – مما يجعل كوكب الزهرة على الأرجح أول عالم صالح للسكن في نظامنا الشمسي.
بعيدًا عن الأرض، فإن تشغيل ROCKE-3D بخصائص محيطية أكثر واقعية مما كانت عليه في النماذج السابقة، وجد العلماء أن العالم خارج المجموعة الشمسية Proxima Centauri b أكثر قابلية للسكن مما كان يُعتقد سابقًا.
بالقرب من المنزل، تكشف عمليات محاكاة القمر أن المياه التي أطلقتها البراكين القديمة الأقرب إلى خط الاستواء القمري يمكن أن تجد طريقها إلى المناطق القطبية المظللة بشكل دائم، حيث يمكننا استخدامها للاستكشاف في المستقبل.
المصدر: scitechdail
قد يهمك:
