在 NASA，高端计算对于许多机构任务至关重要。这项技术帮助我们增进对宇宙的理解——从我们的星球到宇宙最远的地方。超级计算机支持各种研究项目，例如发现影响太空技术和地球生命的太阳活动、为创新的天气和气候科学构建基于人工智能的模型，以及帮助重新设计将宇航员送入太空的发射台与 阿尔忒弥斯二世。
这些项目只是 NASA 在高性能计算、网络、存储和分析国际会议 (SC24) 期间展出的众多项目中的一个示例。NASA 科学任务理事会副局长尼古拉·“尼基”·福克斯 (Nicola “Nicky” Fox) 博士将于 11 月 19 日星期二发表主题演讲“NASA 对高影响力科学和探索的愿景”，她将在会上分享更多关于NASA 使用超级计算来探索宇宙以造福所有人的方式。以下是美国宇航局将在会议上分享的更多工作内容：
1. 模拟有助于重新设计 Artemis 发射环境
NASA 艾姆斯研究人员正在帮助确保宇航员在 Artemis II 试飞中安全发射，这是太空发射系统 (SLS) 火箭和猎户座飞船的首次载人任务，计划于 2025 年进行。他们使用 Launch Ascent 和飞行器空气动力学软件模拟了火箭羽流与阿耳忒弥斯一号发射期间使用的水基声音抑制系统之间复杂的相互作用，导致 在升空前支撑火箭的移动发射平台受损 。
比较有水系统激活和没有激活水系统的模拟结果表明，声音抑制系统有效地减少了压力波，但废气可以改变水的方向并导致压力显着增加。
这些模拟在位于艾姆斯的 NASA 高级超级计算设施的 Aitken 超级计算机上运行，生成了约 400 TB 的数据。这些数据已提供给美国宇航局佛罗里达州肯尼迪航天中心的航空航天工程师，他们正在 为阿耳忒弥斯二号发射重新设计火焰偏转器 和移动发射器 。
2. 飞机设计优化以提高燃油效率
在飞机设计的比较中，左翼模拟飞机的初始几何形状，而右翼模拟优化的形状。表面根据飞机上的气压着色，橙色表面代表气流中的冲击波。以右翼为蓝本的优化设计比原来减少了 4% 的阻力，从而提高了燃油效率。
美国宇航局/布兰登·洛
为了帮助提高商业飞行的效率和可持续性，位于加利福尼亚州硅谷的美国宇航局艾姆斯研究中心的研究人员和工程师正在努力改进飞机设计，通过微调机翼、机身和其他飞机的形状来减少空气阻力或阻力。结构部件。这些变化将降低飞行所需的能量，减少所需的燃料量，减少排放，提高飞机的整体性能，并有助于降低机场周围的噪音水平。
使用艾姆斯开发的 NASA 的 Launch、Ascent 和车辆空气动力学计算建模软件，研究人员正在利用机构超级计算机的强大功能来运行数百次模拟，以探索现有飞机和未来车辆概念的各种设计可能性。他们的工作表明，可以将现有商用飞机设计的阻力减少 4%，从而在实际应用中显着节省燃油。
3. 将人工智能应用于天气和气候
该可视化图将 MERRA-2 再分析数据（左）中的 4 级飓风 Ida 的轨迹与 NASA 和 IBM 的 Prithvi WxC 基础模型（右）未经特定训练做出的预测进行了比较。两个模型均于 2021 年 8 月 27 日 00 UTC 初始化。
阿拉巴马大学亨茨维尔分校/Ankur Kumar；美国宇航局/苏吉特·罗伊
传统的天气和气候模型通过求解地球大气层和海洋中数百万个小区域（网格盒）的数学方程来产生全球和区域结果。NASA 及其合作伙伴目前正在探索使用人工智能 (AI) 技术来训练基础模型的新方法。
基础模型是使用大型、未标记的数据集开发的，因此研究人员可以独立地微调不同应用的结果，例如创建预报或预测天气模式或气候变化，只需最少的额外培训。
NASA与 IBM Research 合作开发了开源、 公开的 Prithvi 天气气候基础模型(Prithvi WxC)。Prithvi WxC 使用 NASA 现代时代研究和应用回顾分析 (MERRA-2) 数据集的 160 个变量在 NASA 高级超级计算设施的最新 NVIDIA A100 GPU 上进行了预训练。
Prithvi WxC 拥有 23 亿个参数，可以以精细的分辨率模拟各种天气和气候现象，例如飓风轨迹。应用包括有针对性的天气预报和气候预测，以及表示重力波等物理过程。
4. 模拟和人工智能揭示中子星的迷人世界
脉冲星磁层的 3D 模拟，使用来自该机构费米太空望远镜的数据在 NASA 的艾特肯超级计算机上运行。红色箭头表示恒星磁场的方向。蓝线追踪高能粒子，产生黄色的伽马射线。绿线代表撞击观察者平面的光粒子，说明费米如何检测脉冲星伽马射线。
美国宇航局/康斯坦丁诺斯·卡拉波塔拉科斯
为了探索中子星内部的极端条件，位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员正在利用模拟、观察和人工智能的结合来揭开这些非凡宇宙物体的神秘面纱。中子星是已经爆炸的恒星的死亡核心，代表着宇宙中一些最致密的物体。
在 NASA 高级超级计算设施的超级计算机上运行的尖端模拟有助于解释 NASA 费米伽马射线太空望远镜 和 中子星内部成分探测器 (NICER) 天文台观测到的现象。这些现象包括被称为脉冲星的快速旋转、高度磁化的中子星，其详细的物理机制自被发现以来一直是个谜。通过应用深度神经网络等人工智能工具，科学家们可以根据 NICER 和费米天文台获得的数据推断恒星的质量、半径、磁场结构和其他属性。
模拟的前所未有的结果将指导对黑洞和其他太空环境的类似研究，并在塑造未来科学太空任务和任务概念方面发挥关键作用。
5. 模拟太阳的活动——从小尺度到大尺度
3D 模拟图像显示了太阳上层流动的演变，其中最剧烈的运动以红色显示。这些湍流可以产生磁场并激发声波、冲击波和喷发。
NASA/Irina Kitiashvili 和 Timothy A. Sandstrom
太阳的活动会产生太阳耀斑和日冕物质抛射等事件，影响太空环境并引起太空天气扰动，从而干扰地球上的卫星电子设备、无线电通信、GPS 信号和电网。NASA 艾姆斯研究中心的科学家们制作了高度逼真的 3D 模型，首次使他们能够检查太阳等离子体在运行中的物理现象，从非常小的尺度到非常大的尺度。这些模型有助于解释来自 NASA 航天器（例如 太阳动力学观测站 (SDO)）的观测结果。
在美国宇航局高级超级计算设施的超级计算机上使用美国宇航局的 StellarBox 代码，科学家们提高了我们对太阳喷流和龙卷风（太阳大气中极热带电等离子体爆发）起源的理解。这些模型使科学界能够解决太阳磁活动及其如何影响太空天气的长期问题。
6. 科学可视化使 NASA 数据易于理解
这张全球地图是动画中的一个框架，显示了 2020 年 1 月至 3 月风向和大气环流如何使二氧化碳穿过地球大气层。DYAMOND 模型的高分辨率显示了二氧化碳排放的独特来源以及它们如何在大陆和海洋中传播。
NASA/科学可视化工作室
NASA 的模拟和观测可以产生数拍字节的数据，这些数据的原始形式很难理解。位于 NASA 戈达德的科学可视化工作室 (SVS) 通过与科学家密切合作创建电影般的高保真可视化，将数据转化为洞察力。
这些 SVS 作品的关键基础设施包括位于戈达德的 NASA 气候模拟中心的 Discover 超级计算机，该计算机可托管各种模拟并提供数据分析和图像渲染功能。最近的数据驱动可视化显示，使用多尺度大气-地球空间环境（MAGE）模型，太阳的日冕物质抛射撞击地球磁层；非静水力域模拟大气环流动力学 (DYAMOND) 模型中绕地球运行的全球二氧化碳排放量；以及使用厄尔尼诺南方涛动 (ENSO) 模型表示拉尼娜和厄尔尼诺天气模式。
