Khi đến lúc NASA đưa các phi hành gia trở lại Mặt trăng và lên Sao Hỏa, một số hệ thống tàu vũ trụ mới sẽ ra đời. Chúng bao gồm Hệ thống phóng không gian (SLS), tên lửa mạnh nhất từng được chế tạo và Phương tiện phi hành đoàn đa năng Orion (MPCV) - một tàu vũ trụ thế hệ tiếp theo sẽ đưa phi hành đoàn vượt ra ngoài quỹ đạo Trái đất thấp (LEO).
Đương nhiên, trước khi một trong hai hệ thống này có thể thực hiện các nhiệm vụ, cần phải tiến hành thử nghiệm rộng rãi để đảm bảo chúng an toàn và sẽ hoạt động tốt. Theo tinh thần này, các nhà khoa học nghiên cứu siêu máy tính tiên tiến của NASA (NAS) hiện đang tiến hành mô phỏng và trực quan hóa rất chi tiết để đảm bảo rằng tàu phá hủy tàu vũ trụ Orion (LAV) sẽ giữ an toàn cho phi hành đoàn, nếu xảy ra trường hợp khẩn cấp khi cất cánh.
Về cơ bản, LAV là cấu hình kết hợp của mô-đun Abort Launch Abort System (LAS) và được thiết kế để đưa phi hành đoàn đến nơi an toàn nếu xảy ra trường hợp khẩn cấp trên bệ phóng hoặc trong hai phút đầu tiên của chuyến bay. Những kỹ thuật mô phỏng và trực quan hóa này, được thực hiện với siêu máy tính Pleiades tại Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA, dự đoán các rung động sẽ ảnh hưởng như thế nào đến phương tiện phá hủy tàu vũ trụ Orion trong khi cất cánh.
Những thử nghiệm này không chỉ hỗ trợ cho những nỗ lực thiết kế của động cơ Orion LAV (một nỗ lực hợp tác giữa nhà thầu chính của NASA và Orion Lockheed Martin), chúng còn là điều chưa từng có trong quá trình phát triển tàu vũ trụ. Như Francois Cadieux, một nhà khoa học nghiên cứu thuộc Chi nhánh Khoa học Máy tính NAS, đã giải thích:
Đây là một trong những lần đầu tiên các kỹ thuật mô phỏng xoáy lớn (LES) được sử dụng trong phân tích và thiết kế tàu vũ trụ quy mô đầy đủ tại NASA. Tôi rất hào hứng khi được tham gia vào dự án thám hiểm không gian của con người, kế tiếp, công việc này đưa LES đến một điểm mà nó có thể đưa ra dự đoán chính xác trong thời gian quay vòng đủ ngắn để hướng dẫn thiết kế của Orion.
Trước đây, việc sử dụng các công cụ có độ chính xác cao như vậy phần lớn bị hạn chế trong nghiên cứu học thuật và không phải là thứ mà các nhà thầu công nghiệp tư nhân có thể tận dụng. Cùng với Michael Barad - một kỹ sư hàng không vũ trụ tại Trung tâm nghiên cứu Ames - Cadieux đã tạo ra nhiều mô phỏng động lực học chất lỏng giải quyết hỗn loạn (CFD) bằng phần mềm Launch Ascent và Car Aerodynamics (LAVA) do NAS phát triển.
Họ đã được hỗ trợ bởi các chuyên gia hình ảnh NAS, người đã giúp các nhà nghiên cứu xác định các loại xoáy khác nhau có thể gây ra tiếng ồn và rung động. Sử dụng dữ liệu mô phỏng này, các chuyên gia trực quan đã tạo ra một loạt hình ảnh và phim chất lượng cao minh họa loại động lực dòng chảy mà Orion LAS sẽ trải qua trong quá trình hủy bỏ khởi động. Như Cadieux đã giải thích:
Từ những hình dung này, chúng tôi có thể xác định các khu vực có tải trọng rung động cao trên xe và nguồn của chúng. Những gì chúng tôi đã học được là tiếng ồn phát ra từ sự hỗn loạn của chùm khói cao hơn đáng kể so với bất kỳ tiếng ồn nào được tạo ra từ sự tương tác của nó với sóng xung kích kèm theo.
Video dưới đây cho thấy mô phỏng của một kịch bản hủy bỏ đi lên, trong đó LAS đã tách ra khỏi SLS và đang di chuyển với tốc độ gần bằng âm thanh. Quá trình hủy bỏ bắt đầu với sự đánh lửa của động cơ LAS và sau đó chậm lại khi điều kiện áp suất và luồng không khí trở nên đặc biệt khắc nghiệt.
Các mảng màu cho thấy áp suất cao (màu đỏ) và áp suất thấp (màu xanh), với các pixel thay đổi từ màu xanh sang màu đỏ (và ngược lại) liên quan đến sóng áp lực gây ra rung động trên xe (màu trắng). Các khu vực có màu thay đổi đột ngột, nhưng nhìn chung vẫn có màu xanh hoặc đỏ theo thời gian, biểu thị sự hiện diện của sóng xung kích. Cuối cùng, những mô phỏng này đang tác động trực tiếp đến thiết kế tàu vũ trụ và sẽ giúp đảm bảo an toàn cho phi hành gia và hoạt động của tàu vũ trụ.
Cadieux vẫn hỏi rất nhiều câu hỏi. Giống như, làm thế nào để tải trên bề mặt LAV thay đổi ở góc tấn công cao hơn? Làm thế nào để chúng ta sử dụng tốt nhất dữ liệu từ các thử nghiệm trong hầm gió để dự đoán tải trọng cho điều kiện bay thực tế nơi phương tiện đang tăng tốc?
Câu trả lời cho những câu hỏi này sẽ được sử dụng để thiết kế loạt thử nghiệm mặt đất tiếp theo, thử nghiệm mockup phi hành đoàn và thử nghiệm bay quan trọng, sẽ chuẩn bị tàu vũ trụ Orion cho nhiệm vụ phi hành đoàn đầu tiên - Nhiệm vụ thám hiểm 2 (EM-2). Nhiệm vụ này, dự kiến ra mắt vào năm 2023, sẽ bao gồm bốn thành viên phi hành đoàn thực hiện một chuyến bay trên mặt trăng và cung cấp các thành phần đầu tiên cho Deep Space Gateway.
Hãy chắc chắn kiểm tra video mô phỏng, lịch sự của Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA:
