Frontier (самый умный компьютер планеты) вычислил: самолёты падают из-за микро-царапин толщиной в атом

Учёные показали, как микроскопические повреждения поверхности турбинных лопаток постепенно подрывают работу реактивных двигателей, ухудшая их экономичность и снижая ресурс. Для этого международная команда исследователей из Университета Мельбурна, GE Aerospace и Национальной лаборатории Ок-Ридж использовала один из самых мощных суперкомпьютеров в мире — Frontier. Именно на нём удалось просчитать процессы, которые раньше было невозможно смоделировать из-за их сложности и масштаба.

Frontier, известный также как Hewlett Packard Enterprise Frontier (OLCF-5), стал первым экзафлопсным суперкомпьютером, доступным для открытых научных исследований. Его вычислительная мощность превышает квинтиллион операций в секунду. На этой системе специалисты проанализировали, как деградация поверхности лопаток высоконапорной турбины влияет на аэродинамику, теплопередачу и общую эффективность реактивных двигателей.

Главная сложность таких расчётов заключается в разнице масштабов. С одной стороны — крупная турбинная лопатка, с другой — микроскопические неровности поверхности, возникающие из-за эрозии, окисления и механического износа. Именно эти мелкие дефекты и запускают цепочку процессов, которая в итоге отражается на работе всего двигателя, но описать их в одной модели чрезвычайно трудно.

Лопатки турбин высокого давления работают в экстремальной среде, где температура газов превышает 2000 °C. Со временем поверхность неизбежно становится шероховатой. Такая шероховатость усиливает аэродинамические потери, ухудшает теплообмен и ускоряет износ деталей. В результате двигатель начинает потреблять больше топлива, а обслуживание требуется чаще.

Чтобы разобраться в механизмах этого процесса, исследователи провели вычислительные эксперименты с колоссальным уровнем детализации. Модели включали от 10 до 20 млрд узлов сетки и более 10¹⁷ степеней свободы. Такие расчёты стали возможны только благодаря экзафлопсной архитектуре Frontier. Для сравнения, выполнение аналогичных задач на обычном ноутбуке заняло бы тысячи лет.

Результаты показали, что прежние представления о влиянии шероховатости на поток воздуха, основанные на простых геометрических моделях, плохо работают в условиях реальных турбин. Внутри реактивного двигателя действуют сложные сочетания газодинамических и тепловых процессов, которые отсутствуют в упрощённых схемах. Особенно важную роль играет переход потока из ламинарного режима в турбулентный.

Выяснилось, что микронеровности поверхности ускоряют этот переход. В результате резко возрастает теплопередача к лопатке и увеличиваются аэродинамические потери. Оба фактора напрямую ведут к снижению КПД двигателя и сокращению срока службы компонентов, что отражается на расходе топлива и частоте технического обслуживания.

Для получения таких данных команда использовала метод прямого численного моделирования, при котором все масштабы турбулентности рассчитываются напрямую, без приближённых моделей. Под это была доработана собственная вычислительная платформа HiPSTAR, которую затем адаптировали под графические ускорители AMD, используемые в Frontier. Даже при такой инфраструктуре каждый расчёт занимал недели непрерывной работы.

Полученные результаты уже применяются инженерами GE Aerospace при проектировании новых турбинных лопаток. Исследования также используются в совместных программах с NASA, включая проект Hybrid Thermally Efficient Core, направленный на повышение топливной эффективности гражданских авиационных двигателей. Параллельно команда работает над новыми подходами к охлаждению турбинных элементов.

Практический эффект этих исследований выходит за рамки одной инженерной задачи. Более эффективные турбины означают меньшее сжигание топлива при той же тяге, снижение эксплуатационных затрат и уменьшение выбросов. Понимание того, как именно микроповреждения влияют на поведение потока и теплообмен, позволяет закладывать эти факторы ещё на этапе проектирования, а не бороться с их последствиями уже в эксплуатации.

В перспективе учёные планируют создать более точные прогнозные модели, которые помогут конструкторам заранее учитывать влияние деградации поверхности и проектировать двигатели с большим запасом эффективности и ресурса. Это должно сделать реактивные установки не только экономичнее, но и долговечнее.