Wenn die NASA Astronauten zum Mond und weiter zum Mars zurückschicken muss, werden eine Reihe neuer Raumfahrzeugsysteme ins Spiel kommen. Dazu gehören das Space Launch System (SLS), die stärkste Rakete, die jemals gebaut wurde, und das Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) - ein Raumschiff der nächsten Generation, das Besatzungen jenseits des Low Earth Orbit (LEO) befördern wird.
Bevor eines dieser Systeme Missionen durchführen kann, müssen natürlich umfangreiche Tests durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sie sicher sind und eine gute Leistung erbringen. In diesem Sinne führen Wissenschaftler der NASA Advanced Supercomputing (NAS) derzeit hochdetaillierte Simulationen und Visualisierungen durch, um sicherzustellen, dass das Launch Abort Vehicle (LAV) des Orion-Raumfahrzeugs die Besatzung im Falle eines Notfalls während des Starts schützt.
Grundsätzlich ist das LAV die kombinierte Konfiguration des Orion Launch Abort Systems (LAS) und des Crew-Moduls und dient dazu, die Crew in Sicherheit zu bringen, wenn ein Notfall auf der Startrampe oder während der ersten zwei Flugminuten auftritt. Diese Simulations- und Visualisierungstechniken, die mit dem Supercomputer Pleiades im NASA Ames Research Center durchgeführt wurden, sagen voraus, wie sich Vibrationen während des Starts auf das Startabbruchfahrzeug des Orion-Raumfahrzeugs auswirken.
Diese Tests unterstützen nicht nur die Konstruktionsbemühungen des Orion LAV-Motors (eine Zusammenarbeit zwischen der NASA und dem Orion-Hauptauftragnehmer Lockheed Martin), sondern sind auch in Bezug auf die Entwicklung von Raumfahrzeugen beispiellos. Wie Francois Cadieux, ein Wissenschaftler in der NAS Computational Aerosciences Branch, erklärte:
„Dies ist eines der ersten Male, dass LES-Techniken (Large Eddy Simulation) bei der Analyse und dem Design von Raumfahrzeugen in vollem Umfang bei der NASA eingesetzt wurden. Ich freue mich darauf, eine Rolle beim nächsten großen Projekt zur Erforschung des menschlichen Weltraums der Agentur zu spielen. Diese Arbeit bringt LES an einen Punkt, an dem es genaue Vorhersagen innerhalb einer ausreichend kurzen Bearbeitungszeit liefern kann, um Orions Design zu steuern. “
Bisher war die Verwendung solcher High-Fidelity-Tools weitgehend auf die akademische Forschung beschränkt, und nicht etwas, das private Industrieunternehmen nutzen konnten. Zusammen mit Michael Barad, einem Luft- und Raumfahrtingenieur am Ames Research Center, erstellte Cadieux mithilfe der von NAS entwickelten Software Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics (LAVA) eine Reihe turbulenzauflösender CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics).
Sie wurden von NAS-Visualisierungsexperten unterstützt, die den Forschern dabei halfen, verschiedene Arten von Wirbeln zu identifizieren, die Geräusche und Vibrationen verursachen können. Mit diesen Simulationsdaten erstellten die Visualisierungsexperten eine Reihe hochwertiger Bilder und Filme, die veranschaulichten, welche Strömungsdynamik der Orion LAS während eines Startabbruchs erfahren würde. Wie Cadieux erklärte:
„Anhand dieser Visualisierungen konnten wir Bereiche mit hohen Vibrationsbelastungen des Fahrzeugs und deren Quellen identifizieren. Was wir gelernt haben, ist, dass das Geräusch, das von den Turbulenzen der Wolke kommt, wesentlich höher ist als jedes Geräusch, das durch die Wechselwirkung mit angeschlossenen Stoßwellen erzeugt wird. “
Das folgende Video zeigt die Simulation eines Aufstiegsabbruchszenarios, bei dem sich der LAS vom SLS gelöst hat und sich mit nahezu Schallgeschwindigkeit bewegt. Der Abbruchvorgang beginnt mit der Zündung des LAS-Motors und verlangsamt sich dann, wenn die Druck- und Luftstrombedingungen besonders hart werden.
Die farbigen Federn zeigen hohen Druck (rot) und niedrigen Druck (blau) an, wobei sich die Pixel in Bezug auf Druckwellen, die Vibrationen am Fahrzeug verursachen (weiß), von blau nach rot (und umgekehrt) ändern. Die Bereiche, in denen sich die Farbe abrupt ändert, aber im Allgemeinen über die Zeit blau oder rot bleibt, weisen auf das Vorhandensein von Stoßwellen hin. Letztendlich wirken sich diese Simulationen direkt auf das Design des Raumfahrzeugs aus und tragen dazu bei, die Sicherheit der Astronauten und die Leistung des Raumfahrzeugs zu gewährleisten.
"Wir stellen immer noch viele Fragen", sagte Cadieux. „Wie ändern sich die Lasten auf der LAV-Oberfläche bei höheren Anstellwinkeln? Wie können wir Daten aus Windkanaltests am besten verwenden, um Lasten für tatsächliche Flugbedingungen vorherzusagen, bei denen das Fahrzeug beschleunigt? “
Die Antworten auf diese Fragen werden verwendet, um die nächste Reihe von Bodentests, Crew-Mockup-Tests und kritischen Flugtests zu entwerfen, mit denen das Orion-Raumschiff auf seine erste Crew-Mission vorbereitet wird - Exploration Mission 2 (EM-2). Diese Mission, deren Start für 2023 geplant ist, besteht aus vier Besatzungsmitgliedern, die einen Mondvorbeiflug durchführen und die ersten Komponenten für das Deep Space Gateway liefern.
Schauen Sie sich auch das Simulationsvideo mit freundlicher Genehmigung des NASA Ames Research Center an:
