NASA任务连战连捷 超级计算机在幕后做了什么努力？

无论是开发登陆其他星球的新技术，改善国内的航空旅行，还是更真实地模拟全球天气和气候，超级计算都是NASA任务成功的关键。以下是NASA最近在强大的艾特肯超级计算机帮助下进行创新的5种方式。

这个气流可视化显示了美国宇航局的六人倾斜翼概念高级空中机动车在巡航或"飞机模式"下的涡流尾流。该图像显示了倾斜翼多旋翼配置的气流的复杂性，其中许多旋翼相互作用，机翼和机身。资料来源：NASA/Patricia Ventura Diazfesta

1. 设计安全、高效的空中出租车。

利用美国宇航局强大的超级计算机，研究人员正在模拟几种有前途的空中出租车配置的空气动力学性能，这些载具有朝一日将在城市和郊区运送乘客和货物。高度复杂的模拟将被用来帮助设计和开发这些未来的空中出租车--也被称为先进空中机动性（AAM）载具--它们将是安全、安静和高效的。

美国宇航局通过确定关键研究领域和构思AAM载具的设计，在AAM的发展中发挥了重要作用。最近的模拟重点是倾斜翼和安静的单主旋翼AAM概念飞行器的性能。仿真是在美国宇航局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心的高级超级计算机（NAS）设施上进行的，这使得这种复杂的仿真可以在短短几天内得到解决。了解这些旋转翼飞机的复杂流动结构是达到AAM性能和噪音水平目标的关键。

先进超音速降落伞充气研究实验（ASPIRE）模拟的图像显示了流体-结构相互作用的动态和相对流速（马赫数，黄色为高，黑色为低）。该模拟的目的是与ASPIRE第一次飞行测试期间将出现的峰值充气力相匹配。资料来源：NASA/Michael Barad和Jonathan Boustani

2. 在危险的着陆过程中保持行星探测装置的安全。

美国宇航局火星登陆器的进入、下降和着陆（EDL）序列被称为"恐怖七分钟"，因为由于两个星球之间的信号滞后，数百个关键事件需要在没有地球干预的情况下成功发生。大约在下降四分钟后，航天器展开了一个降落伞，该降落伞必须尽可能均匀地充气，尽管有湍流的空气尾流，而且紧密编织的织物没有任何裂缝或破损。这是EDL最危险的方面之一，也是众所周知的对预测的挑战。

利用该机构的艾特肯超级计算机，埃姆斯的工程师们正在开发通过模拟和分析超音速降落伞膨胀的许多情况来降低风险和成本的能力，而使用飞行试验来研究这些情况成本太高。仿真的另一个优势是可以提取精细的细节--这些信息可以帮助工程师开发下一代EDL系统，能够处理未来机器人火星任务的更重的有效载荷，如火星采样返回。

这个可视化显示了使用NASA的多孔微结构分析（PuMA）软件对由碳/石墨制成的纤维毡状材料进行的传热模拟。在模拟中，一个小的温度梯度被强加在材料的微结构上，稳态温度曲线和热通量被确定。资料来源：NASA/Joseph C. Ferguson, Stanford University; Federico Semeraro和John Thornton, NASA/Ames

3. 在微观层面上对航天器的热屏蔽材料进行建模。

NASA的多孔微结构分析（PuMA）软件使用X射线显微层析技术来生成材料内部结构的高分辨率三维图像。在埃姆斯开发的PuMA为用于航天器热屏蔽、超音速降落伞和陨石分析的材料提供了前所未有的洞察力。NASA的研究人员使用PuMA为未来的太空任务开发新的热保护系统（TPS）材料，而NASA的高性能超级计算机为材料科学家提供了对材料的微观结构进行全面建模的能力。这有助于确保未来航天器的安全，特别是在危险的下降阶段。

虽然这个开源软件最初是作为预测航天器TPS的材料特性的工具而创建的，但PuMA已经扩展到为科学家提供将材料生成--从简单的形状到复杂的纤维编织几何形状--与材料的性能研究相结合的能力，如其导电性、弹性、渗透性，甚至其氧化的方式。

2019年10月7日，西太平洋上的强热带气旋"海吉星"达到了超强台风级别。插图是2019年10月10日来自Himarawi-8卫星的可见光卫星图像。较大的图像是实验性GEOS模型产生的可见云图像。哈吉比斯有一个明确的台风眼，充满了浅层的、低层的云，周围是深层的对流带和长长的云流，被卷入东北方向的一个热带外锋系统。资料来源：NASA/William Putnam

4. 预测天气和气候以保证人类安全。

美国宇航局正在推动建模能力的边缘，利用超级计算机创建一个1.5公里（约1英里）分辨率的全球数字孪生地球。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的全球建模和同化办公室正在使用历史观测数据来模拟地球系统的天气和气候。美国宇航局全球地球观测系统（GEOS）模型和同化系统是该机构的旗舰系统，用于加强对美国宇航局大量地球观测数据的使用。

随着机器学习能力的巨大扩展和超高速图形处理单元编程范式的改进，GEOS现在已经准备好在NASA内部为天气和气候研究提供一个实验性框架。GEOS模型将具有一系列能力，包括海洋-大气耦合地球系统建模，碳排放的高级研究，以及超高分辨率的传输。

30亿年前金星的模拟表面温度图，有310米深的动态海洋。大陆上的温度大约或低于水的冰点。这是因为这个星球旋转得非常慢，在金星的夜晚，大陆变得相当寒冷。资料来源：美国国家航空航天局/迈克尔-韦

5. 探索我们太阳系内外行星的过去、现在和未来。

超级计算机就像计算的"时间机器"，科学家用它们来探索过去、现在和未来的宇宙。使用美国宇航局气候模拟中心的Discover超级计算机和ROCKE-3D计算机模型，来自纽约美国宇航局戈达德空间研究所的科学家正在模拟太阳系内外行星的气候。这些模拟显示，30亿年前，地球最近的行星邻居金星可能已经有足够长的时间处于温带状态，以至于有了海洋--使金星可能成为我们太阳系中的第一个宜居世界。

在离地球更远的地方，科学家们在运行ROCKE-3D时发现，海洋特征比以前的模型更真实，太阳系外的半人马座b比以前认为的更适合居住。

在离家更近的地方，对月球的模拟显示，靠近月球赤道的古火山所释放的水可以找到它的途径，进入永久阴影的极地地区，在那里我们有可能利用它进行未来的探索。