Big Compute Podcast: Boom Supersonic – Grenzen im Luft- und Raumfahrtdesign verschieben
In dieser Große Rechenleistung In dieser Podcast-Folge interviewt Moderator Gabriel Broner Josh Krall, Mitbegründer und VP of Technology bei Boom Supersonic. Boom nutzt HPC in der Cloud, um ein Überschall-Passagierflugzeug zu entwickeln und die damit verbundenen technischen und geschäftlichen Herausforderungen zu bewältigen.
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Überblick und wichtige Kommentare
Der technische Erfolg des Überschallflugs mit der Concorde war zwar groß, doch die Wirtschaftlichkeit war nicht gegeben. Mehr als vierzig Jahre später beginnt Boom mit dem Bau der Overture, einem Überschallflugzeug, in dem Passagiere den Preis heutiger Business-Class-Sitze zahlen. Boom nutzt HPC in der Cloud und erhielt 2017 den HPCwire Readers Award für die beste Nutzung von HPC in der Cloud.
Warum Überschallfliegen
Josh Krall erklärt uns, dass Überschallflüge nicht nur die Flugzeit halbieren, sondern dass sie als wirkungsvollen Nebeneffekt auch die Welt näher zusammenbringen werden:
„Bei Boom Supersonic geht es darum, das Fliegen neu zu definieren, indem die Reisezeit halbiert wird, um die Welt näher zusammenzubringen. Mit Mach 2.6 sind wir etwa 2.2-mal schneller. Die meisten von uns haben in ihrem Leben noch nie eine Halbierung der Reisezeit erlebt. Wir haben gelernt, dass der Sekundäreffekt in der Regel genauso wichtig ist. Die Art des Reisens ändert sich völlig. Vor der Einführung des Jets dauerte der Flug nach Hawaii 15 Stunden, daher haben nicht viele Menschen diese Reise unternommen. Nach der Einführung des Jets wurde Hawaii zu einem beliebten Reiseziel und die Reisetätigkeit verzehnfachte sich. Australien ist heute 15 Stunden von der Westküste der USA entfernt.“
Zum Business Case
„Die Concorde war ihrer Zeit voraus. Ein technisches Wunderwerk. Es wurden nur 14 Exemplare gebaut, und heute stehen sie in Museen. Die grundlegenden Nachteile lagen in der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit. Sie hatte mehr Sitzplätze, als sie besetzen konnte, sodass aufgrund der Betriebs- und Wartungskosten hohe Ticketpreise verlangt werden mussten.“
Die Konstrukteure der Concorde hatten keinen Zugang zu den modernen Kohlefaserverbundwerkstoffen von heute. Sie nutzten jahrzehntelang Windkanäle statt der heutigen numerischen Strömungsmechanik, und als Antrieb dienten Düsentriebwerke mit Nachbrenner. Heute verfügen wir über moderne Turbofan-Triebwerke, die deutlich effizienter sind. Dank dieser Effizienzsteigerungen können wir Overture heute auf den Markt bringen und damit einen viel größeren Markt ansprechen. Der Betrieb wird deutlich günstiger sein: Wir müssen 55 statt 100 Sitze besetzen; die Betriebskosten entsprechen denen der Unterschallklasse; das Flugzeug ist auf Hunderttausenden von Langstreckenflügen einsetzbar; es wird leiser, effizienter und günstiger sein.“
Darüber hinaus ist der Markt für Langstreckenflüge in der Business Class über Wasser seit den Tagen der Concorde dramatisch gewachsen, was die Betriebswirtschaftlichkeit verbessert. Man kann Hunderte von Flugzeugen und ein robustes Netzwerk einsetzen, um die Wartungskosten zu senken. Wir haben bereits 30 Flugzeuge an Japan Airlines und Virgin Airlines verkauft.
Warum HPC in der Cloud
„Wir sind ein Startup. In der Anfangszeit mussten wir unser Kapital nutzen, um unser Geschäft auszubauen. Rescale und HPC in der Cloud boten uns die Möglichkeit, die anfänglichen Infrastrukturkosten zu vermeiden.“
Heute sind wir nicht mehr so stark kapitalbezogen. Wir haben zwar Geld aufgebracht und können in lokale Infrastruktur investieren, schätzen die Cloud aber aus anderen Gründen, die eher mit den Einschränkungen der lokalen Infrastruktur zu tun haben. Diesen Monat werden wir 13,000,000 Millionen Kernstunden Simulationsarbeit leisten. Die Möglichkeit, diese Arbeit schnell zu erledigen – in Tagen statt Wochen oder Wochen statt Monaten –, gibt uns deutlich mehr Flexibilität bei der Terminplanung und ermöglicht es den Ingenieuren, die Ergebnisse dann zu erhalten, wenn sie sie brauchen, anstatt auf stark ausgelastete lokale Systeme zurückgreifen zu müssen.
Zu Anwendungen und Ergebnissen
Wir haben zwei verschiedene Teams, die Simulationen durchführen. Unser Hauptteam für externe Aerodynamik führt vollständige Flugzeugsimulationen durch, um Flugeigenschaften, Stabilitätskontrolle, Lasten und alle Arbeitsabläufe mit großen Datensätzen zu testen. Unser Antriebsteam beschäftigt sich mit der Einlassaerodynamik. Sie führen sowohl Designarbeiten als auch komplexere Arbeiten an stationären Fällen, Flatterfällen und Schocksimulationen durch. Wir haben mit Open-Source- und NASA-Codes wie Fun3D und Cart3D begonnen und beginnen nun, proprietäre Codes wie Numeca und CFD++ zu verwenden. Unser Ansatz ist, das beste Werkzeug für die jeweilige Aufgabe zu finden.
Was die Ergebnisse angeht, modellieren wir eine komplexe Wirbelströmung über einem Deltaflügel bei niedrigen Geschwindigkeiten, was kein leicht zu lösendes Problem ist. Dasselbe gilt für die Aerodynamik des Einlasses. Die Concorde-Konstrukteure brauchten ein Jahrzehnt, um das Einlassdesign richtig hinzubekommen, und unsere Designer schafften es in neun Monaten mit CFD-Simulationen, wie sie heute möglich sind.
„Wir haben unsere Ergebnisse anhand von Windkanälen validiert, sowohl hinsichtlich der Überschall- als auch der Niedriggeschwindigkeitsaerodynamik, und wir erzielen sehr gute Übereinstimmungen.“
Wann wird es fliegen
Wir haben mit dem Bau der XB1, einem Überschall-Demonstrationsflugzeug, begonnen. Es erprobt die gleichen Technologien, die wir auf den Markt bringen werden. Daten aus unseren Testflügen werden uns helfen, das Design des 55-sitzigen Passagierflugzeugs zu verfeinern. Der Großteil unseres Teams konzentriert sich auf unser Demonstrationsflugzeug. Wir streben an, es bis Ende dieses Jahres zu Flugtests und Anfang nächsten Jahres zu Überschalltests zu bringen. Ein Team arbeitet an ersten Entwürfen für das eigentliche Flugzeug, Overture, das wir Mitte der 2020er Jahre fertigstellen möchten.
Challenges
„Aus HPC-Sicht besteht die größte Herausforderung darin, das Wachstum des Programms und die Rechenleistung zu bewältigen. Wir benötigen eine wirklich hohe Leistung, und einige der älteren Cloud-Plattformen haben damit Probleme. Wir arbeiten mit dem Rescale-Team daran, wie wir sehr große Probleme mit Milliarden von Knoten bewältigen können.“
Lernen
„Für einmalige Designfälle oder Einzelingenieur-Workflows ist die Cloud sofort einsatzbereit. Die sofort einsatzbereiten Funktionen von Rescale ermöglichen die Arbeit in der Cloud, die Sie vor Ort erledigen würden.“
Für große Skalierungen müssen Sie, genau wie bei On-Premise, in Werkzeuge investieren. Der Unterschied zu On-Premise besteht darin, dass Sie deutlich mehr Kapazitäten nutzen können. Unsere Partnerschaft mit Rescale war in diesem Zusammenhang von unschätzbarem Wert. Wir haben viel gemeinsam entwickelt, was anderen den Weg ebnen könnte.
