Американские исследователи провели эксперимент, который раньше считался практически нереальным: им удалось смоделировать газовые потоки под основанием ракеты с детализацией свыше квадриллиона степеней свободы.
По сути, команда воссоздала в цифровом виде работу десятков двигателей, когда их раскалённые струи сталкиваются, смешиваются и образуют вихревую структуру с резкими перепадами давления. Наблюдать такие процессы во время реального запуска невозможно — температура, скорость и плотность газов слишком высоки для датчиков. Поэтому сверхподробная модель становится единственным способом понять, как ведёт себя конструкция многоразовых носителей в первые секунды старта.
Использовали суперкомпьютер El Capitan из Ливерморской национальной лаборатории — одну из самых мощных систем, созданных для вычислений на полной загрузке всех узлов. Представители лаборатории отмечают, что подобные эксперименты позволяют оценить, как машина работает под реальной научной нагрузкой, ведь моделирование газовой динамики относится к наиболее тяжёлым типам расчётов.
Команда сообщила, что достигла ускорения примерно в 80 раз по сравнению с предыдущими методами. Объём необходимой памяти удалось уменьшить в 25 раз, а энергопотребление — более чем в пять. Благодаря этому расчёты, которые раньше занимали недели, теперь укладываются в несколько часов. Такой результат стал возможен благодаря оптимизации алгоритмов и использованию ускорителей MI300A в составе El Capitan.
Ключевую роль сыграла техника стабилизации ударных волн Information Geometric Regularization (IGR). Её разработали профессора Спенсер Брингелсон, Флориан Шефер и исследователь Жуйцзя Цао, ныне работающий в Корнелле. Метод сглаживает зоны с резкими скачками давления, не искажая физику процесса. Это особенно важно при моделировании ситуаций, где множество струй взаимодействуют в ограниченном пространстве и создают сложную, быстро меняющуюся картину.
Для проведения симуляции задействовали все 11 136 узлов суперкомпьютера и более 44 000 ускорителей AMD Instinct MI300A. В итоге удалось построить сетку из 500 триллионов ячеек — это свыше 500 квадриллионов степеней свободы. Позже повторили расчёт на суперкомпьютере Frontier, превысив отметку в один квадриллион.
Моделирование выполняли с помощью открытого пакета MFC, который поддерживает группа Брингелсона. С его помощью команда построила полную картину истечения газов в конфигурации, вдохновлённой двигательной установкой ускорителя Super Heavy. Такой уровень детализации позволяет изучать сценарии, которые трудно или невозможно получить во время огневых испытаний из-за экстремальных температур и нагрузок.
Исследователи считают свою работу новой планкой для вычислительной гидродинамики на экзафлопсном уровне. Для отрасли это особенно важно: современные ракеты всё чаще используют группы небольших двигателей вместо нескольких крупных. Такой подход облегчает производство и даёт резервирование, но делает струйное взаимодействие намного сложнее. В результате раскалённые газы могут возвращаться к основанию ракеты и повреждать конструкцию. Поэтому сверхточные цифровые модели становятся ключевым инструментом повышения надёжности и безопасности многоразовых носителей.