當(dāng)長征系列運載火箭直沖云霄時，你想到的是什么？

是嫦娥奔月，是技術(shù)革新，是一望無際的星空，是偉大的航天員

還是流浪地球中用火箭推進(jìn)太空天梯的科幻場景

我想到的是運載火箭行業(yè)背后的高性能計算

是無數(shù)次的計算模擬

是一次次仿真測試

運載火箭成功的那一刻，是無數(shù)個數(shù)據(jù)支撐的成功！

下面分享全球小型運載火箭的領(lǐng)先開發(fā)商Firefly Aerospace的高性能計算案例。

公司簡介

Firefly Aerospace（螢火蟲太空公司）于2017年創(chuàng)立，是全球小型運載火箭的領(lǐng)先開發(fā)商。

公司發(fā)展前景：

1.Firefly正在開發(fā)一系列運載火箭和太空飛行器，以及提供領(lǐng)先的可負(fù)擔(dān)、便捷性和高可靠性的行業(yè)服務(wù)。

2.Firefly的運載火箭利用通用技術(shù)制造基礎(chǔ)設(shè)施、提高發(fā)射能力和提供低地球軌道（LEO）發(fā)射的解決方案，可以最低的成本在小型起重級別中裝載大約10公噸的有效載荷。

3.結(jié)合Firefly的太空飛行器，如軌道轉(zhuǎn)移飛行器和Genesis著陸器，F(xiàn)irefly為航天工業(yè)提供了一個完成月球表面或更遠(yuǎn)任務(wù)的一站式服務(wù)點。

運載大型通信衛(wèi)星和小型通信衛(wèi)星的火箭價格十分昂貴，衛(wèi)星的所有者一般無法支付運載火箭的全價。但是Firefly開發(fā)出的Alpha火箭解決了這個問題，F(xiàn)irefly也因此成名。

Firefly Alpha是一種小型衛(wèi)星發(fā)射器，可以將1000公斤重物部署到近地軌道。然而，由于火箭組件的制造成本非常高，并且通常只能在實際飛行中進(jìn)行測試，所以火箭組件需要極其精確的建模，不能出現(xiàn)任何錯誤。此外，火箭組件模擬非常復(fù)雜且需要密集的計算資源。因此，F(xiàn)irefly需要像HK-Nimbix這樣的HPC合作伙伴的資源、靈活性和可靠性對其提供支持。

虹科提供的Nimbix（HK-Nimbix）高性能計算套件是一套靈活且安全的即服務(wù)高性能計算 (HPC) 解決方案。這種面向云中的HPC、AI和Quantum的即服務(wù)模型為客戶提供了訪問最廣泛的HPC和高性能計算產(chǎn)品組合的權(quán)限—從硬件到裸機(jī)即服務(wù)，再到先進(jìn)計算的民主化、是跨公共和私有數(shù)據(jù)中心的云。

挑戰(zhàn)

1.原有HPC無法快速迭代、調(diào)試和改進(jìn)火箭設(shè)計：由于Firefly火箭模擬所需的數(shù)據(jù)量、帶寬和內(nèi)核數(shù)量龐大，原有HPC供應(yīng)商的基礎(chǔ)設(shè)施和接口使研發(fā)團(tuán)隊難以快速迭代、調(diào)試和改進(jìn)其設(shè)計。Lightning發(fā)動機(jī)的噴嘴延伸部分就是這種情況，它是火箭發(fā)動機(jī)的一部分，只有在發(fā)動機(jī)進(jìn)入太空時才會使用。

2.設(shè)計精度難以達(dá)到最佳：在真空室中運行大型火箭發(fā)動機(jī)既困難又昂貴，因此噴嘴延伸等部件僅在飛行中進(jìn)行測試——這意味著發(fā)射的成功或失敗可能取決于設(shè)計的精度。因此，為確保最佳設(shè)計，F(xiàn)irefly需要隨時可用、高度可擴(kuò)展且易于使用的計算資源，使得他們能夠在最短的時間內(nèi)開啟新作業(yè)，并且無論火箭規(guī)模如何，他們只需為其實際使用的資源付費。

McKinnon說：“一次模擬可能涉及求解具有六個未知數(shù)和一億個數(shù)據(jù)元素的六個方程，而每次迭代求解6億個方程通常需要一萬個核心。因此，我們不能坐以待斃，僅僅只在隊列中等待計算資源。我們需要一家能夠解決數(shù)量、頻率和大量計算能力的HPC供應(yīng)商，找到能夠解決實際問題的創(chuàng)造性解決方案?！?/p>

模擬過程中使用的工具

1.使用計算流體動力學(xué)（CFD）仿真來模擬影響噴嘴延伸的因素：對流、輻射和傳導(dǎo)。

2.利用Ansys CFD軟件（主要是Ansys CFX和Ansys Fluent）以及 Ansys Mechanical 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.運行NASA開發(fā)的CFD仿真和設(shè)計程序，包括NASTRAN（有限元分析）、NASA CFD代碼以模擬流體流動，以及Cart3D和FUN3D。

這些工具在Nimbix HPC云基礎(chǔ)設(shè)施的按需資源上運行，使Firefly能夠準(zhǔn)確地模擬實際火箭飛行期間熱量和熱力如何影響噴嘴延伸的操作。

HK-Nimbix Cloud—高性能計算Nimbix云：由JARVICE?提供支持，JARVICE?是專為真正的高性能計算（HPC）構(gòu)建的平臺。使用JARVICE?，企業(yè)可從任何網(wǎng)絡(luò)連接、在任何設(shè)備上按需加速超級計算的渠道，是在云中使用復(fù)雜應(yīng)用最簡單、最方便的方法。

工程解決方案

通過使用Nimbix HPC云基礎(chǔ)架構(gòu)，可以隨時提交任何規(guī)模的模擬作業(yè)，并確保開始執(zhí)行的等待時間最短。

具體來說，隨時可用的資源意味著研發(fā)團(tuán)隊可以隨時獲得想要的計算結(jié)果，從而更快地做出最佳設(shè)計決策。例如，一位分析師能夠在一周內(nèi)運行15次迭代來設(shè)計一個擋板，該擋板能將薄膜冷卻氣流優(yōu)化分配到噴嘴延伸上。分析師也可以以合理的成本制造其設(shè)計。

使用HK-Nimbix為Firefly帶來的優(yōu)勢：

1.將設(shè)計迭代從幾天縮短到幾小時；

2.通過HPC基礎(chǔ)設(shè)施和帶寬的按需可用性，可以并行運行多個仿真，進(jìn)一步縮短整體設(shè)計時間；

3.能夠快速分析龐大的數(shù)據(jù)集和評估新工程設(shè)計理念，為Firefly的火箭運載工具提供關(guān)鍵組件的優(yōu)化設(shè)計；

4.借助HK-Nimbix，F(xiàn)irefly能夠做出更快的分析和設(shè)計決策以解決噴嘴延伸冷卻問題。

5.借助HK-Nimbix，研發(fā)團(tuán)隊在嚴(yán)格設(shè)計要求的前提下，能夠確定搭建薄膜冷卻增壓室和噴嘴擴(kuò)展的低成本方法。

與業(yè)內(nèi)使用的其他方法相比，增壓室和噴嘴延伸設(shè)計的解決方案為每臺發(fā)動機(jī)節(jié)省了大約十萬美元。McKinnon也總結(jié)說：“HK-Nimbix運行模擬的速度和準(zhǔn)確性幫助我們?yōu)榭蛻舸罱ǜ煽壳腋阋说幕鸺?，并在實際條件下可以按期工作?！?/p>

除了應(yīng)用于運載火箭行業(yè)，HK-Nimbix高性能計算套件還可以用于如下行業(yè)：

電信行業(yè)：高保真度快速評估原型設(shè)計的空氣動力學(xué)性能，例如設(shè)計空中信號塔。

生物科技行業(yè)：提供創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計的HPC資源及并行計算能力，例如設(shè)計具有生物識別認(rèn)證功能的指紋傳感器。

能源行業(yè)：提供運行模擬軟件的HPC資源，例如設(shè)計消融探針。

通信行業(yè)：為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供HPC資源，例如設(shè)計毫米波天線。

高?？蒲校禾峁┛蒲杏嬎闼璧腍PC云，例如加快高校實驗室火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計速度。

汽車制造行業(yè)：為運行計算流體動力學(xué) (CFD) 仿真提供HPC資源，例如優(yōu)化某賽車的空氣動力學(xué)性能。

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