Quand viendra le temps pour la NASA de renvoyer des astronautes sur la Lune et sur Mars, un certain nombre de nouveaux systèmes d'engins spatiaux entreront en jeu. Il s'agit notamment du Space Launch System (SLS), la fusée la plus puissante jamais construite, et du Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) - un vaisseau spatial de nouvelle génération qui transportera les équipages au-delà de l'orbite terrestre basse (LEO).
Naturellement, avant que l'un ou l'autre de ces systèmes puisse effectuer des missions, des tests approfondis doivent être effectués pour garantir leur sécurité et leur bon fonctionnement. Dans cet esprit, les chercheurs de la NASA Advanced Supercomputing (NAS) effectuent actuellement des simulations et des visualisations très détaillées pour s'assurer que le lancement du véhicule d'abandon (VBL) du vaisseau spatial Orion assurera la sécurité des équipages, en cas d'urgence lors du décollage.
Fondamentalement, le VBL est la configuration combinée du système Orion Launch Abort (LAS) et du module d'équipage, et est conçu pour mettre l'équipage en sécurité en cas d'urgence sur la rampe de lancement ou pendant les deux premières minutes de vol. Ces techniques de simulation et de visualisation, qui ont été menées avec le supercalculateur Pléiades au NASA Ames Research Center, prédisent comment les vibrations affecteront le véhicule de lancement du vaisseau spatial Orion pendant le décollage.
Non seulement ces tests aident-ils aux efforts de conception du moteur Orion LAV (un effort de collaboration entre la NASA et le maître d'œuvre d'Orion Lockheed Martin), ils sont également plutôt sans précédent en ce qui concerne le développement de vaisseaux spatiaux. Comme François Cadieux, chercheur à la NAS Computational Aerosciences Branch, l'a expliqué:
«C'est l'une des premières fois où des techniques de simulation de grands tourbillons (LES) ont été utilisées dans l'analyse et la conception de vaisseaux spatiaux à grande échelle à la NASA. Je suis ravi de jouer un rôle dans le prochain grand projet d'exploration de l'espace humain de l'agence - ce travail amène LES à un point où il peut fournir des prévisions précises dans un délai d'exécution suffisamment court pour guider la conception d'Orion. »
Auparavant, l'utilisation de ces outils haute fidélité était largement limitée à la recherche universitaire, et ce n'était pas quelque chose dont les entrepreneurs du secteur privé pouvaient profiter. En collaboration avec Michael Barad - un ingénieur en aérospatiale au centre de recherche d'Ames - Cadieux a produit une variété de simulations de dynamique des fluides de résolution des turbulences (CFD) en utilisant le logiciel Launch Ascent et Vehicle Aerodynamics (LAVA) développé par NAS.
Ils ont été assistés par des experts en visualisation NAS, qui ont aidé les chercheurs à identifier différents types de tourbillons pouvant provoquer du bruit et des vibrations. À l'aide de ces données de simulation, les experts en visualisation ont créé une série d'images et de films de haute qualité illustrant le type de dynamique de flux que le Orion LAS connaîtrait lors d'un abandon de lancement. Comme l'a expliqué Cadieux:
«À partir de ces visualisations, nous avons pu identifier les zones de fortes charges vibratoires sur le véhicule et leurs sources. Ce que nous avons appris, c'est que le bruit provenant de la turbulence du panache est sensiblement plus élevé que tout bruit généré par son interaction avec les ondes de choc attachées. »
La vidéo ci-dessous montre la simulation d'un scénario d'abandon de remontée, où le LAS s'est détaché du SLS et se déplace à une vitesse proche du son. Le processus d'abandon commence avec l'allumage du moteur LAS puis ralentit lorsque les conditions de pression et de débit d'air deviennent particulièrement difficiles.
Les panaches colorés indiquent la haute pression (rouge) et la basse pression (bleu), les pixels passant du bleu au rouge (et vice versa) par rapport aux ondes de pression qui provoquent des vibrations sur le véhicule (blanc). Les régions où la couleur change brusquement, mais reste généralement bleue ou rouge dans le temps, indique la présence d'ondes de choc. En fin de compte, ces simulations ont un impact direct sur la conception du vaisseau spatial et aideront à assurer la sécurité des astronautes et les performances du vaisseau spatial.
"Nous posons toujours beaucoup de questions", a déclaré Cadieux. «Par exemple, comment les charges sur la surface du VBL changent-elles à des angles d'attaque plus élevés? Comment utiliser au mieux les données des tests en soufflerie pour prévoir les charges pour les conditions de vol réelles où le véhicule accélère? »
Les réponses à ces questions seront utilisées pour concevoir la prochaine série d'essais au sol, de maquettes d'équipage et d'essais en vol critiques, qui préparera le vaisseau spatial Orion pour sa première mission en équipage - Mission d'exploration 2 (EM-2). Cette mission, dont le lancement est prévu d'ici 2023, se composera de quatre membres d'équipage effectuant un survol lunaire et livrant les premiers composants de la passerelle de l'espace profond.
N'oubliez pas de regarder également la vidéo de simulation, gracieuseté du NASA Ames Research Center:
