인류의 달 탐사 계획, 아르테미스 프로그램. 그 성공적인 미션을 향한 NASA의 여정은 첨단 기술의 집약체라 할 수 있습니다. 그중에서도 눈에 띄는 것은 바로 ‘슈퍼칩’이라 불리는 초고성능 컴퓨팅 칩과의 협력입니다. NASA의 풍동 엔지니어, 데이터 시각화 과학자, 그리고 소프트웨어 개발자들의 협력은 아르테미스 2호 미션을 위한 우주발사시스템(SLS) 로켓 개선에 있어 빠르고 비용 효율적인 해결책을 제시했습니다. 아르테미스 2호는 SLS 로켓과 오리온 우주선의 첫 유인 비행으로, 약 10일간의 달 궤도 비행을 목표로 합니다.
캘리포니아 실리콘밸리의 혁신: 초고성능 컴퓨팅과 풍동 시험의 만남
캘리포니아 실리콘밸리에 위치한 NASA 에임스 연구센터는 이러한 혁신의 중심에 있습니다. NASA 고급 슈퍼컴퓨팅 시설과 유니터리 플랜 풍동(Unitary Plan Wind Tunnel) 간의 초고속 네트워크 연결은 아르테미스 2호 미션을 위한 로켓 개선을 위한 협업을 가능하게 했습니다. 아르테미스 1호 시험 비행 중 SLS 로켓은 고체 로켓 부스터 부착 지점 근처에서 예상보다 높은 진동을 경험했는데, 이는 부스터와 로켓 본체 사이의 틈새에서 발생하는 불안정한 기류 때문이었습니다.
문제 해결의 열쇠: 스트레이크(Strake)의 등장
아르테미스 2호를 위한 해결책 중 하나로 제시된 것이 바로 ‘스트레이크(Strake)’입니다. 스트레이크는 항공기에서 불안정한 기류와 안정성을 개선하기 위해 일반적으로 사용되는 얇고 지느러미 모양의 구조물입니다. 이를 SLS 로켓의 중앙 단계에 추가하면 구성 요소의 진동을 최소화할 수 있습니다.
풍동 시험과 비압축성 유동 해석: 스트레이크 설계의 과학
이 스트레이크 솔루션은 유니터리 플랜 풍동에서의 이전 시험 결과에서 나온 것입니다. NASA 엔지니어들은 SLS 모델에 비정상 압력 감지 페인트(uPSP, Unsteady Pressure Sensitive Paint) 기법을 적용했습니다. 이 페인트는 공기와 우주선의 공기역학적 압력 변화를 시간 경과에 따라 측정합니다. 시험 모델에 페인트를 뿌리고, 고속 카메라로 페인트의 밝기 변화(압력 변동에 해당)를 촬영합니다. SLS 모델의 넓은 영역에 걸쳐 빠르게 변하는 압력 변화를 포착함으로써 엔지니어는 빠르게 변하는 환경을 이해하는 데 도움을 받습니다. 이 데이터는 초고속 네트워크 연결을 통해 NASA 고급 슈퍼컴퓨팅 시설로 스트리밍됩니다.
출처: NASA/NAS/Gerrit-Daniel Stich, Michael Barad, Timothy Sandstrom, Derek Dalle
토마스 스티바(Thomas Steva), NASA 마셜 우주비행센터 항공역학 부서 SLS 하위 부서 수석 엔지니어는 “이 기술을 통해 이전보다 훨씬 더 자세한 풍동 데이터를 확인할 수 있습니다. 이러한 명확성을 통해 엔지니어는 로켓과 우주선이 스트레스에 어떻게 반응하는지에 대한 더 정확한 모델을 만들어 더 강력하고 안전하며 효율적인 구조를 설계하는 데 도움이 됩니다.”라고 말했습니다.
하이퍼월(Hyperwall) 시각화 시스템: 데이터 분석의 새로운 지평
스트레이크가 장착된 SLS 구성에 대해 풍동팀은 로켓 축소 모델에 페인트를 적용했습니다. 카메라 데이터가 슈퍼컴퓨팅 시설로 스트리밍되자 시각화 및 데이터 분석 전문가팀은 결과를 하이퍼월 시각화 시스템에 표시하여 SLS 팀에 스트레이크가 차량 성능에 미치는 영향에 대한 전례 없는 시각적 정보를 제공했습니다. 팀들은 페인트 데이터와 상호 작용하고 분석할 수 있었습니다.
NASA의 최첨단 컴퓨팅 역량과 시설은 에임스 연구센터의 독보적인 시설과 결합하여, 시간 단축, 비용 절감, 설계 강화를 통해 생산성을 높이고 안전한 유인 우주 비행을 직접 지원할 수 있는 역량을 제공합니다.
Kevin Murphy
NASA 최고 과학 데이터 책임자
케빈 머피(Kevin Murphy), NASA 최고 과학 데이터 책임자 겸 NASA 본부 고성능 컴퓨팅 역량 포트폴리오 책임자는 “NASA의 최첨단 컴퓨팅 역량과 시설은 에임스 연구센터의 독보적인 시설과 결합하여 시간 단축, 비용 절감, 설계 강화를 통해 생산성을 높이고 안전한 유인 우주 비행을 직접 지원할 수 있는 역량을 제공합니다. 우리는 이 역량을 적극적으로 활용하여 아르테미스 2호의 발사 준비를 지원하고 있습니다.”라고 말했습니다.
초고속 네트워크 연결: 데이터 처리 시간 혁신
유니터리 플랜 풍동과 NASA 고급 슈퍼컴퓨팅 시설 간의 초고속 연결을 활용하면 일반적인 데이터 처리 시간을 수주에서 단 몇 시간으로 단축할 수 있습니다. 수년 동안 NASA 고급 슈퍼컴퓨팅 부서의 자체 발사, 상승 및 차량 공기역학 소프트웨어는 다양한 SLS 차량 구성의 설계 및 인증에 중요한 역할을 해왔습니다.
라라 래시(Lara Lash), NASA 에임스 연구센터 실험 항공 물리학 부서 항공 우주 공학 연구원이자 uPSP 연구 책임자는 “하이퍼월과 시각화 팀과 협력할 수 있다는 것은 데이터에 대한 대면 및 신속한 참여가 가능하다는 것을 의미하며, 처리 과정에 대한 실시간 조정을 거의 할 수 있다는 것을 의미합니다.”라고 말했습니다.
슈퍼컴퓨터의 역할: 복잡한 유체역학 시뮬레이션
이번에는 NASA 고급 슈퍼컴퓨팅 연구원들이 에이전시 최대의 GPU 기반 컴퓨팅 클러스터인 Cabeus 슈퍼컴퓨터를 사용했습니다. 이 슈퍼컴퓨터는 350개의 NVIDIA 슈퍼칩 노드로 구성되어 있습니다. 슈퍼컴퓨터는 스트레이크 추가의 기본 물리학을 설명하는 데 도움이 되는 일련의 복잡한 전산 유체 역학 시뮬레이션을 생성하고 풍동 카메라와 센서가 도달할 수 없는 영역 사이의 간극을 메웠습니다.
팀워크의 승리: 다양한 분야의 전문가들의 협력
이것은 여러 팀에 걸친 진정한 공동 작업이었습니다. 크리스틴 모건(Kristin Morgan), 마셜에서 SLS 스트레이크 구현 노력을 관리하는 사람은 “스트레이크 솔루션의 장점은 공기역학적 불안정성과 인터탱크 구성 요소의 관련 진동 수준을 개선하기 위해 스트레이크를 추가할 수 있었다는 것입니다.”라고 말했습니다.
보잉 팀은 현재 플로리다주 케네디 우주센터에서 로켓에 스트레이크를 설치하고 있으며 2025년 10월에 설치를 완료할 예정입니다.
아르테미스 프로그램: 달 탐사와 화성 탐사를 향한 도약
아르테미스를 통해 NASA는 과학적 발견과 경제적 이익을 위해 우주비행사를 달로 보내고 최초의 유인 화성 탐사 미션을 위한 기반을 구축할 것입니다.
아르테미스에 대한 자세한 내용은 다음 웹사이트를 방문하십시오.
출처: https://www.nasa.gov/directorates/esdmd/common-exploration-systems-development-division/space-launch-system/from-supercomputers-to-wind-tunnels-nasas-road-to-artemis-ii/
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