Por anos, engenheiros da NASA recorreram a uma ferramenta chamada framework de Launch, Ascent, and Vehicle Aerodynamics (LAVA) para resolver desafios de escoamento de ar que podem significar a diferença entre o sucesso ou o fracasso de uma missão. Quando os engenheiros precisam saber como uma nave espacial vai se comportar durante a reentrada ou se um novo projeto de asa de aeronave vai gerar sustentação suficiente, eles recorrem ao LAVA.
A NASA lançou recentemente essa ferramenta para a comunidade aeroespacial.
O LAVA é um pacote de software de dinâmica dos fluidos computacional que a NASA desenvolveu para avançar missões aeroespaciais críticas, aproveitando o conhecimento coletivo da agência. Ele ajuda a prever com impressionante precisão como o ar se move ao redor de foguetes, aeronaves e naves espaciais.
As mesmas ferramentas computacionais usadas para simular pousos em Marte, prever ambientes de lançamento e otimizar aeronaves para eficiência agora estão disponíveis para pesquisadores, empresas e inovadores dos EUA.
“Isso não é apenas sobre disponibilizar software; é sobre acelerar a inovação”, disse Jared Duensing, líder da equipe LAVA no Ames Research Center da NASA, na Califórnia, no Vale do Silício. “Quando pesquisadores universitários conseguem executar simulações mais complexas e quando pequenas empresas conseguem otimizar projetos com precisão no padrão da NASA, não estamos apenas compartilhando ferramentas — estamos liberando potencial.”
Este vídeo mostra uma simulação do foguete SLS (Space Launch System) usando o resolvedor Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics da NASA. Para o voo de teste da Artemis II, um par de strakes com seis pés de comprimento foi adicionado ao estágio central do SLS para suavizar vibrações induzidas pelo escoamento de ar durante a fase de ascent. As cores verde e amarela na superfície do foguete mostram como o fluxo de ar “raspa” contra a pele do veículo. As áreas brancas e cinzas mostram mudanças na densidade do ar entre os propulsores e o estágio central, com as regiões mais brilhantes marcando ondas de choque. Os strakes reduzem vibrações e melhoram a segurança do veículo integrado.
NASA/Gerrit-Daniel Stich, François Cadieux, Michael Barad, Jared Duensing, Timothy Sandstrom, Derek Dalle
Grandes questões, respostas rápidas
A NASA usa ferramentas computacionais há anos para prever como o ar vai se mover ao redor de novas aeronaves ou para simular o intenso ambiente acústico de um lançamento de foguete.
Imagine assistir ao seu programa favorito em um telefone flip lento versus carregá-lo em uma rede ultrarrápida, em alta definição 4K cristalina. É esse tipo de transformação que o LAVA traz para as simulações aeroespaciais. Problemas complexos que antes levavam dias ou semanas agora rodam em horas.
O software LAVA também é compatível com hardware de computador que emprega microprocessadores especializados conhecidos como graphics processing units (GPUs), que podem executar muitas tarefas ao mesmo tempo e reduzir o consumo de energia em comparação com sistemas que usam central processing units (CPUs) tradicionais, mais gerais. Para métodos de simulação tradicionalmente caros necessários às aplicações aeroespaciais mais complexas da NASA, o LAVA gerou uma eficiência de destaque no supercomputador de ponta baseado em GPU da NASA, o Cabeus.
Mas a grande virada é como o LAVA torna rotineiro o que parece impossível. Engenheiros aeroespaciais dependem de “simulações scale-resolving” para capturar imagens de alta fidelidade de fenômenos que podem ter efeitos profundos nas missões, incluindo ondas de pressão, redemoinhos turbulentos e assinaturas acústicas. Antes, isso era um processo que exigia muitos recursos e tempo. Agora, o LAVA executa essas simulações em recursos computacionais modestos, tornando-as prontamente disponíveis e fáceis de produzir, inclusive para usuários iniciantes.
Este vídeo mostra uma simulação do escoamento sobre uma asa do Common Research Model em escala usando o resolvedor Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics da NASA. O vídeo destaca a grande região de escoamento separado na superfície superior da asa que se forma devido ao gelo na borda de ataque. Traçadores de partículas são injetados perto do gelo na borda de ataque e conduzidos para jusante. As partículas são coloridas pela velocidade na direção do escoamento (streamwise velocity), em que vermelho indica menor velocidade, e o azul cada vez mais claro indica maior velocidade (com branco indicando velocidade muito alta).
NASA/David Craig Penner, Jeffrey Housman, Timothy A. Sandstrom
Na NASA, os engenheiros colocaram essas capacidades em prática para ajudar a lançar e pousar naves espaciais na Lua e em Marte, impulsionando a inovação para a próxima geração de aeronaves. Quando a NASA precisava entender a implantação de paraquedas supersônicos para missões a Marte — algo que você não consegue testar facilmente na atmosfera da Terra — o LAVA forneceu percepções críticas.
Quando os engenheiros precisaram prever como formações de gelo afetariam o desempenho de aeronaves, o LAVA entregou respostas em condições que são essenciais para a segurança do voo.
Para ajudar astronautas a decolar com segurança nas missões Artemis, o LAVA simulou o lançamento da Artemis I, permitindo que os engenheiros entendessem em detalhes o ambiente de voo do Space Launch System. Ao disponibilizar o software, a indústria poderá aproveitar essas mesmas capacidades, potencialmente aplicando-as desde grandes aviões supersônicos até drones menores de entrega e air taxis.
A equipe de Launch, Ascent, and Vehicle Aerodynamics (LAVA) no NASA Ames está desenvolvendo a capacidade de simular a inflação de paraquedas supersônicos acoplando vários módulos de física entre si. Ela acopla dinâmica dos fluidos computacional para o movimento do ar, além de dinâmica estrutural e mecânica de contato para a deformação do paraquedas. Essa capacidade pode ajudar a reduzir riscos para missões interplanetárias futuras com entrada atmosférica, como Dragonfly (Titan) e DaVinci (Vênus). O vídeo mostra instantâneos da simulação de interação fluido-estrutura do terceiro teste de voo do Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment (ASPIRE) (SR03), usado para validar a abordagem e desenvolver melhores práticas.
NASA/Francois Cadieux, Michael Barad, Timothy Sandstrom
Três abordagens, um único framework
A maior parte dos softwares de dinâmica dos fluidos computacional obriga os engenheiros a escolher uma abordagem, como se entregassem um martelo quando você precisa de uma caixa de ferramentas inteira. O framework LAVA oferece três opções para gerar malhas, ou grades de pontos conectados usados para prever o comportamento de fluidos (incluindo ar) em uma simulação.
Isso permite que os usuários alternem entre as malhas dependendo de um problema específico ou usem múltiplos tipos de malha para comparar previsões. Eles também podem usar o LAVA junto com outras ferramentas de análise e otimização para melhorar projetos.
Entre muitos outros programas e projetos da NASA, o trabalho no LAVA foi apoiado pelo projeto Transformational Tools and Technologies da NASA, que busca desenvolver novas ferramentas computacionais para ajudar a prever o desempenho de aeronaves. O projeto faz parte do Transformative Aeronautics Concepts Program, no âmbito do Aeronautics Research Mission Directorate.
Quer se aprofundar no LAVA? Visite o NASA software catalog para informações de acesso e saiba mais sobre as capacidades computacionais da ferramenta neste seminário sobre LAVA.
