Raptor - SpaceXs Methantriebwerk

Da die Einheit fehlt, ist das Urteil voreilig. Könnten ja 380 m/s sein. Dann wäre es schwach.

Gemeint sind sicherlich 380 s.

Ja, und für die Sojus-5 Oberstufe gibts nur magere 370s, die Arbeiten in Russland gehen sehr schleppend. Bei Brennversuchen an Triebwerk 2015 erfolgte 2013 eine Explosion, wurde aber nicht publiziert.

@Jura: Mal eine Frage, im Film Eins, Zwei, Drei gibt es eine Stelle wo es heist das eine Rakete gesprengt wurde, darauf jemand der einen Landsman von dir dargestellt hat: In Russland haben wir zwei Sprengkörper, einen für Rakete einen für Ingenieur. Stimmt das und wird das immer noch so gemacht? 

Info von reddit:
http://www.reddit.com/r/spacex/comments/2z6azm/raptor_info_at_gpu_tech_conference/

Es wird eine Präsentation von SpaceX geben auf der Nvidia GPU-Technik Konferenz.

S5398 - GPUs to Mars: Full-Scale Simulation of SpaceX's Mars Rocket Engine

Stephen Jones Lead Software Engineer, SpaceX Adam Lichtl Director of Research, SpaceX SpaceX is designing a new, methane-fueled engine powerful enough to lift the equipment and personnel needed to colonize Mars. A vital aspect of this effort involves the creation of a multi-physics code to accurately model a running rocket engine. The scale and complexity of turbulent non-premixed combustion has so far made it impractical to simulate, even on today's largest supercomputers. We present a novel approach using wavelets on GPUs, capable of capturing physics down to the finest turbulent scales.

Das meiste verstehe ich nicht. Aber SpaceX hat eine neue Software-Simulations-Technik entwickelt zur Simulation der feinsten turbulenten Vorgänge in ihren Raptor-Triebwerken. Die Software läuft auf Nvidia-Grafikprozessoren. Die neue Technik erlaubt Simulationen, die so detailliert bisher nicht einmal auf den größten Supercomputern lauffähig waren.

Stephen Jones: Stephen is lead engineer of the Simulation and Analytics group at SpaceX, where he works on large-scale simulation of combustion processes in rocket engines. Prior to being at SpaceX he worked at NVIDIA, where he was the architect for the CUDA language and worked closely with NVIDIA's hardware designers to develop new GPU features in support of parallel programming. His background is in computational fluid mechanics and plasma physics, but he has worked in diverse industries including networking, CAD/CAM and scientific computing.

Einer der Teilnehmer von SpaceX ist Stephen Jones. Er ist Chef der Gruppe für Simulation und Analyse bei SpaceX. Er hat vorher bei NVIDIA gearbeitet. Sein Fachgebiet ist Berechnung von "fluid dynamics" und Plasma Physik.

Elon Musk hat ja auf seiner Präsentation in Seattle zu Software-Entwicklern gesagt, daß Software immer wichtiger wird bei der Entwicklung.

fluid dynamics ist Strömungslehre.

CUDA wird von Nvidia immer stark umworben und es gibt auch überall Workshops, wo man das lernen kann. Allerdings ist CUDA auf der Grafikkarte und kann nicht soviel verschiedene Arten von Operationen ausführen wie auf der CPU.

Wäre mal interessant zu wissen, was SpaceX für CFD-Code benutzt.

Wäre mal interessant zu wissen, was SpaceX für CFD-Code benutzt.

Wenn ich es nicht völlig falsch verstanden habe, ist es eigene Entwicklung.

Allerdings ist CUDA auf der Grafikkarte und kann nicht soviel verschiedene Arten von Operationen ausführen wie auf der CPU.

Das muss sie auch nicht. CUDA und das darauf aufbauende PhysX sind Techniken die sehr spezielle Berechnungen der GPU noch sehr viel schneller ausführen können als ohne diese Beschleuniger. Damit werden realistische physikalische Simulationen ohne Großrechner überhaupt erst möglich. Grundsätzlich könnte man all diese Berechnungen auch auf ner normalen CPU machen, aber das würde sehr viel langsamer sein als auf der GPU. Die CPU ist der flexible Alleskönner, die GPU ein sehr schneller Spezialist.

Wenn ich es nicht völlig falsch verstanden habe, ist es eigene Entwicklung.

Ich denke die Software für die Strömungssimulationen der Triebwerke ist die Eigenentwicklung. Die Bibliotheken (z.B. die PhysiX library) selbst gibt es schon.

Hier ein Demo


Mane

Ich denke die Software für die Strömungssimulationen der Triebwerke ist die Eigenentwicklung. Die Bibliotheken (z.B. die PhysiX library) selbst gibt es schon.

Hier ein Demo

Mane

Das ist für Computerspiele und "gefakt". Das sieht nur so aus, als sei es eine realistische Berechnung, in Wirklichkeit wird jede Menge getrickst, vereinfacht, damit die Rechenzeit passt. Es muss nur optisch stimmen.

Das genügt keinem naturwissenschaftlichen Anspruch. Natürlich kann man auf der Grafikkarte auch realistische Sachen rechnen aber viele wissenschaftliche Codes haben ne Menge if-Bedingungen und komplexe Speicheroperationen und sind nur bedingt für die Grafikkarte geeignet.

Zitat von: tobi am 16. März 2015, 09:24:18

Wäre mal interessant zu wissen, was SpaceX für CFD-Code benutzt.

Wenn ich es nicht völlig falsch verstanden habe, ist es eigene Entwicklung.

Bei komplexen Berechnungen auf Supercomputer sind meistens die Codes eigene Entwicklungen. Auch für die Simulation des TEM Reaktors wurden dafür spezielle Codes entwickelt.

Es wird wahrscheinlich Video von der Präsentation geben. Vielleicht wissen wir danach etwas mehr.

Jedenfalls sollte verbesserte Simulation die Entwicklung beschleunigen und verbilligen. Darum geht es doch im Endeffekt.

Das ist für Computerspiele und "gefakt". Das sieht nur so aus, als sei es eine realistische Berechnung, in Wirklichkeit wird jede Menge getrickst, vereinfacht, damit die Rechenzeit passt. Es muss nur optisch stimmen.

Das dieses Demo keinem wissenschaftlichen Ansatz genügt ist klar. Das Grafikberechnungen für Spiele andere Schwerpunkte haben (z.B. viele Frames pro Sekunde) ebenso.

Natürlich kann man auf der Grafikkarte auch realistische Sachen rechnen aber viele wissenschaftliche Codes haben ne Menge if-Bedingungen und komplexe Speicheroperationen und sind nur bedingt für die Grafikkarte geeignet.

Das musst du mir erklären. If-Bedingungen und Speicheroperationen sind die Grundlage jeder Programmierung.

Grundsätzlich kann man folgendes sagen:
Die GPU ist für parallelisierte Berechnungen optimiert, die CPU für serielle. Grundsätzlich könnte man JEDES Programm auch auf der GPU laufen lassen. Ein nicht parallelisiertes Programm wird aber auf der CPU viel schneller sein als auf der GPU. Es ist also eine reine Frage der Parallelisierbarkeit.

Aber egal...

Mane

Es wird wahrscheinlich Video von der Präsentation geben. Vielleicht wissen wir danach etwas mehr.

Jedenfalls sollte verbesserte Simulation die Entwicklung beschleunigen und verbilligen. Darum geht es doch im Endeffekt.

Die Gretchefrage bei solcherart Simulationen ist immer, mit welchen Testdaten kann man nachweisen, daß die modellierte Physik die Wirkichkeit ausreichend genau widergibt, und daß man damit z.B. das Triebwerksverhalten o.ä. so gut vorhersagen kann daß man sich teuere Tests spart.

Naja,  so weit ich das richtig in Erinnerung hab rechnen CPUs besser mit double precision, gpus mit einfacher Genauigkeit.

Zitat von: Führerschein am 16. März 2015, 11:34:17

Es wird wahrscheinlich Video von der Präsentation geben. Vielleicht wissen wir danach etwas mehr.

Jedenfalls sollte verbesserte Simulation die Entwicklung beschleunigen und verbilligen. Darum geht es doch im Endeffekt.

Die Gretchefrage bei solcherart Simulationen ist immer, mit welchen Testdaten kann man nachweisen, daß die modellierte Physik die Wirkichkeit ausreichend genau widergibt, und daß man damit z.B. das Triebwerksverhalten o.ä. so gut vorhersagen kann daß man sich teuere Tests spart.

Also Fakt bleibt. Tests werden nicht durch Computersimulatoren ersetzt! Die teuren Tests könnten verringert werden, weil gewisse Fehlerquellen früher entdeckt werden. Aber letztendlich werden alle Entwicklungen vorher noch einmal in echt getestet.

Zur Simulation etwas abseits.

In den 60-er Jahren waren Atomtest für Entwicklungen von Atomwaffen notwendig. Später wurden die Test von Atombomben auf den Supercomputer gemacht. Heute ist die Simulation absolut notwendig, ob in der Raumfahrt, Atomzündungen, Filmproduktion mit Spezialeffekten. Durch den Einsatz von Supercomputern wird es immer leichter mögliche Konseguenzen zu erkennen und zu prognostizieren in fast jeder Branche.

nur in Beziehungen funktioniert das nicht

Aber zurück zur Sache, falls es ihnen gelingt hierdurch die Formgebung alle Strömungsteile, Gas oder Fluid, so zu obimieren das möglichst über den ganzen Betriebsbereich laminare Verhältnisse herrschen wäre dies ein echter Sprung in der Entwicklung.
Das könnte dann sogar soweit gehen, das man vielleicht vorab weis das es bei bestimmten Betriebspunkten wohl zu Resonanzen usw. kommen kann und wenn man dies nicht durch die Fließkörpergestalltung weg bekommt, dann vielleicht diese Betriebspunkte schnell durchfährt.
Sowas könnte sich auch auf die Zuverlässigkeit gut auswirken.

Jetzt ist auch vollständig klar warum sie Spieleentwickler einstellen, die haben eh oft genau die Grundlagen um sowas sehr gut hinzubekommen.

Also Fakt bleibt. Tests werden nicht durch Computersimulatoren ersetzt!

Also vielleicht doch nochmal eine kurze Erklärung, warum man simuliert. Im Grunde sind das ja sehr detaillierte Vorraussagen, ähnlich einer mathematischen Analyse (jaja, ich weiß, ist auch alles nur Mathematik). Würde mal gar keine Berechnungen vorher anstellen, dann müsste man ja unheimlich viel Testen, um überhapt ein funktionierendes Triebwerk bauen zu können.
Also muss man mit einer guten Prognose nicht erst eine zu kurze Brennkammer, dann eine zu lange testen, um an die richtige Länge zu geraten, sondern kann gleich die obtimale testen.

Warum dann dieser Test überhaupt könnte man sich fragen. Genau wie bei einer analytischen Berechnung, also einem vollständig berechenbaren Modell stecken in einer Simulation vermutlich nicht alle physikalischen Vorgänge und hier und dort wird genähert. Und was man nicht reichsteckt kommt auch nicht heraus. Also unvorhergesehene Dinge treten bei einem Test zutage.

Außerdem sind Simulationen komplementär zu echten Tests. Man kann ein reales Bauteil nicht beliebig mit Sensorik vollstopfen, also nicht alle vielleicht interessanten Größen an jeder Stelle messen. ZB die maximale Druckbelastung an einer Scheißnaht.
Wenn man eine Simulation nun so einstellt, dass sie mit allen gemessenen Werten übereinstimmt, ist anzunehmen, dass sie auch gute Werte für die Größen leifert, die man nicht gemessen hat, wie eben der Druck an der unzugänglichen Scheißnaht.

Außerdem steht ja wohl außer Frage, dass man mit Simulationen viel größere Parameterräume testen kann als in der Realität.
Teste sind nicht ersetzbar hört sich ja an, als ob Simulationen nur ein schönes Gimmick sind, aber ohne Berechnungen fängt man doch überhaupt nicht erst an einen Test zu planen.

Wie schon gesagt, Nvidia macht viel Werbung, besonders in der Wissenschaft, das ist ja eine ganz neue Niesche um Grafikkarten zu verkaufen. Nahezu jedes Rechenzetrum hat mittlerweile einen GPU cluster.
Wenn man sich anschaut, dass auch einer GPU mehrere hundert CPUs sind, ist auch zu verstehen, dass man Simulationen stark beschleunigen kann, so denn abläufe parallelisiert werden können. Und ob ein Ergebnis nach einer Stunde oder nach einer Woche fertig ist macht schon einen riesen Unterschied.

ws

ws

Erklärung: http://blogs.nvidia.com/blog/2015/03/17/mars-rocket/

Offenbar benutzt man ein adaptives Netz bei der Rechnung, was jetzt nicht gerade revolutionär ist. Kann natürlich sein, dass die CUDA Implementierung was relativ neues ist -  da bin ich jetzt nicht auf dem aktuellesten Stand. Das Netz ist auch noch strukturiert um es simpler zu gestalten.

Nichts, was man nicht auch an deutschen Unis könnte also.

Video der gesamten Präsentation jetzt auf Reddit. Ich sehe es mir gleich an.

http://on-demand.gputechconf.com/gtc/2015/video/S5398.html

Ok, das war interessant.

In dem Video geht es hauptsächlich darum wie sie Mittel Datenkompression es geschafft haben Berechnungen durchzuführen, welche unter normalen Umständen mit der heutigen Technik nicht möglich gewesen wären.

Für die Laien, um ein paar Sachen aus dem Video zu erklären:

Yottabytes sind 10hoch24 Bytes = 1 Billion Terabytes. Und aktuelle PC Festplatten haben im Durchschnitt 1-3 TB.

Für die Kompression wird die sogenannte Waveletransformation verwendet.

http://de.wikipedia.org/wiki/Wavelet-Transformation

Diese war Anfang 2000 der neue Hoffnungsträger in Sachen Datenkompression für Videos und Bilder. Im Videobereich ist man afaik mittlerweile wieder davon abgekommen, in der professionellen digitalen Fotografie wird sie jedoch noch verwendet.

Zur Kompression von Strömungsberechnungen ist sie jedoch laut der Präsentation scheinbar ideal.

Sie simulieren nicht nur Strömungsverhalten. Sie simulieren die Verbrennung von Methan und LOX bis runter auf die molekulare Ebene mit allen Zwischenprodukten der Verbrennung.

Sie meinten, mit Methan ist es noch relativ einfach. Wenn sie das Verhalten von komplexeren Kohlenwasserstoffen simulieren wollen, wird es erst richtig kompliziert.

Sie simulieren nicht nur Strömungsverhalten. Sie simulieren die Verbrennung von Methan und LOX bis runter auf die molekulare Ebene mit allen Zwischenprodukten der Verbrennung.

Sind beides Strömungsberechnungen. 

Aber stimmt, wobei diesser Teil erst zum Schluss besprochen wird. Interessant ist die Tatsache, dass hier wirklich versucht wird möglichst reale Bedingungen zu simulieren. Es sind ja nicht nicht die beiden gewünschten Verbrennungsprodukte dabei sondern auch Verunreinungen etc. auf die eingangen werden muß.

Aber um nochmal das Resultat dieser Kooperation mit NVidia zusammenzufassen, ist dass die Kombinationen von Datenkompression und modernster GPU Architektur hier Sachen ermöglicht, die bislang in der Form nicht möglich waren.

Oh, und ich sehe grad, dass sie damit auch den Wiedereintritt von Kapseln simulieren können. (Ist aber erst ganz am Schluss.)

Ab Min. 46 sieht man nochmal genau auf wessen Forschungsarbeiten diese neue Technik ermöglicht haben.

Sie simulieren nicht nur Strömungsverhalten. Sie simulieren die Verbrennung von Methan und LOX bis runter auf die molekulare Ebene mit allen Zwischenprodukten der Verbrennung.

Sie meinten, mit Methan ist es noch relativ einfach. Wenn sie das Verhalten von komplexeren Kohlenwasserstoffen simulieren wollen, wird es erst richtig kompliziert.

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit LOX erzeugt alle möglichen Moleküle aus den Atomen C, H und O (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff). Ob dies mit Methan oder einem anderen Kohlenwasserstoff passiert ändert nichts an den möglichen erzeugten Molekülen, ändert aber die Zusammensetzung der Gasmischung. Solange kein anderes Element dazu kommt ist die Komplexität einer solchen Simulation die gleiche, egal ob Methan, Propan, Kerosin, Butan, usw.

Kompliziert wird es sobald die Verunreinigungen der Treibstoffe mit betrachtet wird, das können Schwefelverbindungen im Methan sein (aus z.B. unvollständiger Reinigung von Erdgas), Stickstoff- oder Heliumanteile aus Tankbedrückung. Solche Fremdanteile kommen typischerweise in geringem Maße vor, sind aber nur für sehr detailierte Betrachtungne von Belang. Der Einfluß auf die Leistung (Isp) und auf den Wäremübergang (Kammerkühlung) ist quasi nicht messbar.

Naja meines Wissens entsteht bei LOX + Methan = CO2 + H2O (Teilweiße auch CO und CO3)
So viel verschiedenes entsteht da nicht
Wo du recht hast ist bei Verunreinigungen. Bei Schwefel etwa dann hauptsächlich H2SO4 (Schwefelwasserstoff)
Bei Stickstoff könnte Ammoniak (HNO3) entstehen. Was genau passiert wenn diese Stoffe entstehen weiß ich nicht. Ist denke ich in kleinen Maßen wie du schon sagtest nicht schlimm.

Naja meines Wissens entsteht bei LOX + Methan = CO2 + H2O (Teilweiße auch CO und CO3)
So viel verschiedenes entsteht da nicht
Wo du recht hast ist bei Verunreinigungen. Bei Schwefel etwa dann hauptsächlich H2SO4 (Schwefelwasserstoff)
Bei Stickstoff könnte Ammoniak (HNO3) entstehen. Was genau passiert wenn diese Stoffe entstehen weiß ich nicht. Ist denke ich in kleinen Maßen wie du schon sagtest nicht schlimm.

2 O2 + CH4 = CO2 + 2 H2O   wäre die endgültige vollständige Verbrennung.

Da die aber so nicht stattfindet, entstehen (abhängig von Druck und Mischungsverhältnis) mit halbwegs relavanten Anteilen:
CO, CO2, COOH, H, HCO, HO2, H2, HCOOH, H2O, O, OH, O2;

und verschwindend gering, wird aber mitgerechnet:
  MOLE FRACTIONS WERE LESS THAN 5.000000E-06 FOR ALL ASSIGNED CONDITIONS
  C                 CH                CH2               CH3             
  CH2OH             CH3O              CH4               CH3OH           
  C2                C2H               CHCO,ketyl        C2H2,acetylene 
  C2H2,vinylidene   CH2CO,ketene      C2H3,vinyl        CH3CO,acetyl   
  C2H4              C2H4O,ethylen o   CH3CHO,ethanal    CH3COOH         
  (HCOOH)2          C2H5              C2H6              CH3OCH3         
  C2H5OH            C2O               C3                C3H3,propargyl 
  C3H4,allene       C3H4,propyne      C3H4,cyclo-       C3H5,allyl     
  C3H6,propylene    C3H6,cyclo-       C3H6O             C3H7,n-propyl   
  C3H7,i-propyl     C3H8              C3H8O,1propanol   C3H8O,2propanol
  C3O2              C4                C4H2              C4H4,1,3-cyclo-
  C4H6,butadiene    C4H6,2-butyne     C4H6,cyclo-       C4H8,1-butene   
  C4H8,cis2-buten   C4H8,tr2-butene   C4H8,isobutene    C4H8,cyclo-     
  (CH3COOH)2        C4H9,n-butyl      C4H9,i-butyl      C4H9,s-butyl   
  C4H9,t-butyl      C4H10,isobutane   C4H10,n-butane    C5             
  C5H6,1,3cyclo-    C5H8,cyclo-       C5H10,1-pentene   C5H10,cyclo-   
  C5H11,pentyl      C5H11,t-pentyl    C5H12,n-pentane   C5H12,i-pentane
  CH3C(CH3)2CH3     C6H2              C6H5,phenyl       C6H5O,phenoxy   
  C6H6              C6H5OH,phenol     C6H10,cyclo-      C6H12,1-hexene 
  C6H12,cyclo-      C6H13,n-hexyl     C7H7,benzyl       C7H8           
  C7H8O,cresol mx   C7H14,1-heptene   C7H15,n-heptyl    C7H16,n-heptane
  C8H8,styrene      C8H10,ethylbenz   C8H16,1-octene    C8H17,n-octyl   
  C8H18,isooctane   C8H18,n-octane    C9H19,n-nonyl     C10H8,naphthale
  C10H21,n-decyl    C12H9,o-bipheny   C12H10,bipheny    Jet-A(g)       
  HCHO,formaldehy   H2O2              (HCOOH)2          O3             
  C(gr)             C6H6(L)           C7H8(L)           C8H18(L),n-octa
  Jet-A(L)          H2O(s)            H2O(L)         

Da muss man schon auswählen was man in der CFD-Rechnung berücksichtigt.

Soweit gilt das obige für nur C, H und O. Mit Stickstoff und Schwefel wird es noch viel mehr.