مركز محاكاة الصواريخ المتقدمة

مركز محاكاة الصواريخ المتقدمة ( CSAR ) هو مجموعة بحثية متعددة التخصصات في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين ، وهو جزء من برنامج المحاكاة والحوسبة المتقدمة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية . يهدف مركز محاكاة الصواريخ المتقدمة إلى التنبؤ بدقة بأداء وموثوقية وسلامة صواريخ الوقود الصلب. ^{[ 2 ]}

تأسس مركز أبحاث المحاكاة المتقدمة (CSAR) عام 1997 كجزء من برنامج المحاكاة والحوسبة المتقدمة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. يهدف هذا البرنامج إلى "تمكين التنبؤ الدقيق بأداء وموثوقية وسلامة الأنظمة الفيزيائية المعقدة من خلال المحاكاة الحاسوبية". ويوسع مركز أبحاث المحاكاة المتقدمة (CSAR) نطاق هذا الهدف ليشمل مجال وقود الصواريخ الصلبة ، وتحديدًا تلك المستخدمة في مكوك الفضاء . ^{[ 1 ]}

يهدف مشروع CSAR إلى محاكاة أنظمة الصواريخ بأكملها، في الظروف العادية وغير العادية. ويتضمن ذلك نمذجة دقيقة للغاية للمكونات وديناميكيات تدفق الوقود والعوامل البيئية الأخرى. وتتطلب هذه النمذجة قدرة حاسوبية هائلة، تصل إلى آلاف المعالجات. ويُعد تطوير البنية التحتية الحاسوبية أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق هذا الهدف. ^{[ 1 ]}

هناك العديد من المجالات التي يبحث فيها مركز أبحاث الفضاء الصيني (CSAR). ^{[ 3 ]} يتم تنفيذ عمليات المحاكاة الفيزيائية في مجموعة برامج Rocstar الخاصة بمركز أبحاث الفضاء الصيني.

• السوائل والاحتراق - دراسة كيفية إشعال وقود الصاروخ وتوجيهه بطريقة توفر قوة الدفع.
  • التدفق متعدد الأطوار
  • نمذجة الاضطراب
  • التسريع متعدد المقاييس (عبر "تكبير الوقت")
  • مورفولوجيا/خصائص الوقود الدافع
  • نمذجة احتراق الوقود الدافع
• الهياكل والمواد - تحليل البنية الفيزيائية للصاروخ
  • النمذجة التكوينية ونمذجة الأضرار
  • انتشار الشقوق
  • نمذجة المواد متعددة المقاييس
  • النمذجة الجزيئية للأسطح البينية للمواد
  • طرق غاليركين غير المتصلة بالزمكان
• علوم الحاسوب - تطوير أدوات المحاكاة والتصوير المتقدمة
  • بيئات البرمجة المتوازية
  • الإدخال/الإخراج المتوازي
  • نمذجة الأداء المتوازي والتنبؤ به
  • التجزئة الشبكية
  • مُقسِّم الشبكة الهجين الهندسي/الطوبولوجي
  • التصور
• تكامل الأنظمة - الجمع بين الأدوات والموارد المتاحة بطريقة فعالة
  • إطار عمل تكاملي موجه للكائنات
  • تنسيق متوازي مرن
  • اقتران المكونات المستقر والخطوات الزمنية
  • نقل البيانات بدقة وحذر بناءً على التحسين المشترك
  • انتشار سطحي مستقر وفعال
• تحديد كمية عدم اليقين - تحديد الدقة والثقة في نتائج المحاكاة
  • تقنيات التجميع لتحديد كمية عدم اليقين بناءً على أخذ العينات

تُجرى المحاكاة الفيزيائية باستخدام مجموعة تطبيقات Rocstar لحلّ المعادلات العددية من CSAR. طُوّرت Rocstar بواسطة CSAR، وهي مصممة للعمل بكفاءة عالية على الحواسيب المتوازية الضخمة. تمّ تنفيذ Rocstar باستخدام MPI وهي متوافقة تمامًا مع Adaptive MPI . تتوفر حاليًا النسخة الثالثة من Rocstar، وهي Rocstar 3. يمكن الاطلاع على دليل المستخدم الخاص باستخدام Rocstar 3 .

يستخدم مركز أبحاث المحاكاة الحاسوبية (CSAR) عددًا من موارد الحوسبة الفائقة لإجراء عمليات المحاكاة. وإلى جانب مركز CSAR، يقع المركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين . ويستفيد مركز CSAR من بيئة الحوسبة التي يوفرها المركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة في العديد من عمليات المحاكاة. كما يضم قسم علوم وهندسة الحوسبة في الجامعة مجموعة حوسبة فائقة تُعرف باسم "تورينغ" ، والتي يستخدمها مركز CSAR أيضًا. ^{[ 4 ]}

تستفيد بيئة الحوسبة المستخدمة في CSAR من أعمال مختبر البرمجة المتوازية بجامعة إلينوي ، وتحديدًا من Charm++ وAdaptive MPI. ^{[ 5 ]} تتيح أطر البرمجة المتوازية هذه تطوير تطبيقات قابلة للتوسع بسهولة لتشمل آلاف المعالجات، مما يسمح بإنجاز العمليات الحسابية المعقدة للغاية بسرعة. يتميز نظام التشغيل المستخدم في كل من Charm++ وAMPI بميزتين أساسيتين تستخدمهما برمجيات CSAR: موازنة الأحمال، التي تُحسّن الأداء من خلال توزيع العمل بالتساوي على جميع المعالجات، ونقاط التحقق، التي تسمح بحفظ العمليات الحسابية الطويلة وإعادة تشغيلها دون الحاجة إلى البدء من جديد.

باستخدام هذه الأدوات عالية التوازي، قام مطورو CSAR ببناء عدد من المكونات القادرة على محاكاة مختلف الظواهر الفيزيائية المتعلقة بدفع الصواريخ. توفر هذه المكونات مجتمعةً بيئة محاكاة متكاملة. فيما يلي قائمة بجميع وحدات Rocstar وروابط لأدلة المستخدم الخاصة بها.

• في الفترة من 11 إلى 12 يونيو 2007، استضاف قسم علوم وهندسة الحوسبة بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين ، مقر مركز أبحاث علوم وهندسة الحاسوب (CSAR)، ورشة عمل حول تحديد كمية عدم اليقين . حضر الورشة أكثر من 40 شخصًا، وألقى المحاضرات كل من حبيب نجم ونيكولاس ج. زاباراس .
• في 13 يوليو 2007، عقدت CSAR ندوتها الدولية حول نمذجة ومحاكاة الصواريخ الصلبة، والتي ضمت متحدثين من CSAR و JAXA اليابانية و SNPE الفرنسية ^{[ 7 ].}