世界のスーパーコンピュータとそれを動かす人々


1月 28, 2015

SpaceX社、HPCを活用して宇宙を目指す

HPCwire Japan

George Leopold

商業的な宇宙旅行の革命は、宇宙空間に荷物 (ペイロード) を打ち上げる費用を下げる挑戦において、計算機の能力とウェブ2.0を必要としている。商業的な宇宙開発企業は、地球の衛星軌道とさらに遠くへ乗員を運び始める日の前に、安全性と信頼性を示しながら、計算機の利用に堪能な必要がある。

この分野の先駆者であるSpace Exploration Technologies Inc. 即ち SpaceX は、国際宇宙ステーションへ無人貨物船を往復できた最初の民間企業である。

SpaceX 社の成功は、1ポンドの荷物を軌道へ打ち上げるコストを下げるために、計算機支援エンジニアリング・ツールと高性能計算能力による。民間宇宙産業が成り立つためには、地球軌道へ1ポンドあたり約1000ドルの費用で荷物を打ち上げる必要がある。その目標は遠いようでもある。しかし、SpaceXのような革新者は、NASAから仕事を請け負って多くの助成を受けている企業の伝統的な「arsenal (兵器) モデル」から離れて、計算機に助けられた agile (機敏な) エンジニアリングによっている。

宇宙飛行の危険な競争における残りの問題は、壊れた装置が何度も爆発した経験に基づく技術に、計算機シミュレーションが代われるかである。これが可能になってこそ、民間宇宙船が人間を宇宙に運べる。

SpaceX社の創設者Elon Musk 氏は、浮遊発射パッド(訳注:海上に設置した台からの打ち上げとそこへの着陸)、再利用可能なロケットなどのすべてを開発する新しいコンピューティング・ツールの使用を受け入れている。すべては、乗組員の安全を確保しながら、商業宇宙運用コストを削減するひたむきな目標として設計されている。まだデモンストレーションの段階だが、新興宇宙企業は完全にその機能を実証するために、2014年にNASAの契約の下で2010年代後半に宇宙ステーションへの宇宙飛行士を運ぶ計画をしている。

Hawthone、Califolnia、MuskにあるSpacceX社の施設のビデオ・ツアーにおいて、Musk氏は指摘している。「可能なあらゆる部分で、ロケット部品の3次元設計を試します。そして、3次元で製造し、3次元で検査します。私たちは、2次元と3次元の間の変換を最小にします。」

同社の「馬車馬」であるFalcon 9ロケットの第一段と第二段エンジンのシミュレーションは、完全な「hardware in the loop」である。「エレクトロニクスの見地から、航空電子工学、航法の見地から、計算機がロケットを飛ばしています。」とMusk氏は語る。「そして、ロケットが宇宙へ行く成功のために、私たちがコンピューターを使って全てを行っていると確かめてください。」

宇宙ステーションへの打ち上げを目指し、SpaceX社のサーバー室の前でMusk氏は語った。そのサーバー室には、計算流体力学、有限要素解析、3次元ソリッド・モデリングのために500プロセッサーがある。世界に渡る取引先の荷物を打ち上げるに伴い、サーバー室は拡張されている。打ち上げ失敗の損失は数十億ドルになるので、実際の打ち上げ前にシミュレーションは欠かせない。

これらのシミュレーションに続いて、「live-fire (実弾射撃)」ともいうエンジン・テストが、TexasのSpaceX施設で行われる。それから、FloridaのCape Canaveral宇宙基地あるいはCalifolnia のVendenberg空軍基地に出荷される。

絶対的な計算能力と同時に重要なツールは、次世代ロケットや宇宙船の設計に使用する計算流体力学である。 SpaceX社は、設計と開発プロセスにコンピューティングパワーを活用するためにANSYS社などのベンダーと提携している。

商業宇宙競争がもたらす「軌道へ1ポンドのペイロードを打ち上げるコストを下げる圧力と、開発のサイクルを短くする圧力」について、航空宇宙および防衛のためのANSYSディレクターであるRob Harwood氏は指摘する。 「私たちは皆、あなたに宇宙で二度目のチャンスがないと知っています。最初にうまくいく必要があります。」

ANSYSは、同社がロケットエンジンと宇宙船を設計する際に、多くの種類の物理学を調査する必要があるので、SpaceX社が使用するコンピュータ支援エンジニアリングツールの先駆者である。例えば、エンジニアが貨物船へのストレスになるのDragon宇宙船上の熱過渡を理解する必要がある。

SpaceX社シニア推進アナリストAndy Sadhwani氏によれば、ANSYSの製品は、テストコストを削減しながら、「デザインの進化」の速度を増加させる、設計解析サイクルを短縮するために使用される。テストの最後の領域は、宇宙産業内で競争中である。その宇宙は、容赦のない環境であることを考えると、何人かの批評家は、宇宙船へのストレスをシミュレーションすることができないと主張している。むしろ、ハードウェアは、それが宇宙で失敗しないことを保証するために、極限に向かって押し上げられる必要があるとの主張だ。

SpaceX社Marlin 1Dエンジンの燃料は灯油 (kerosene) と液体酸素である。 ANSYSは、エンジン解析の大部分およびエンジン部品のための「サイズ」の要件を提供する。ツールは、エンジンおよび熱挙動の「試験前の予測」を収集するために使用される。そのデータが「私たちのモデルから引き出され、好意的にテキサス州で私たちのホット点火のテストに活用されていいます。」 SpaceX社アビオニクスエンジニア兼システムインテグレータの Bulent Altan 氏は言った。

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SpaceX社アビオニクスエンジニア兼システムインテグレータの Bulent Altan氏は、テキサス州で焼成エンジン試験を計画してエンジニアに送信する。第二段ロケットエンジンのシミュレートされた試験発射を設定する。

SpaceX社が目指すの有人飛行のように、より多くのMerlinロケットエンジンの推力を引き出すする方法を探している。設計者は、「第一または第二の試行でデザインのモデルとテストデータ間のリンクを活用し、コンピューター・モデルに影響を及ぼせました。」とSadhwani氏は主張した。

宇宙航空産業にとって別の重要な課題である金属曲げは、機械工場での回避不可能な問題を軽減している。SpaceX社は、計算流体力学およびその他のシミュレーション・ツールを利用して、実物による試験の回数を減らしている。同社は、機械工場での不具合を回避し、その次の打ち上げのためのスケジュールに余裕ができたので、設計解析サイクルを短縮できた。

Musk氏の努力によって、航空宇宙会社の仕組みが変革され、これまで取り組んできている。1960年末までに月へ人間を送った時のように、何をするつもりなのか言い、それを実現している。SpaceX社を初めとする商業宇宙産業は、人間が商業宇宙船に乗るときにテストされるだろう。