Actualizaciones y Modernización del Código Chemical Equilibrium with Applications (CEA) de la NASA

El código Chemical Equilibrium with Applications (CEA) de la NASA es una herramienta fundamental para el análisis de sistemas de propulsión. Proporciona cálculos de química en equilibrio, rendimiento de cohetes, ondas de choque y detonaciones, utilizados tanto en la NASA como en la comunidad aeroespacial en general. El NASA Engineering and Safety Center (NESC) ha modernizado el código legado CEA2 de Fortran a CEA v3, un paquete de software orientado a objetos en Fortran 2008 con soporte de interfaz ampliado, datos termoquímicos actualizados, mantenibilidad mejorada y una integración de flujo de trabajo sustancialmente mejorada. El código modernizado mantiene la compatibilidad retroactiva con los flujos de trabajo de entrada del CEA legado, al tiempo que permite su uso directo desde entornos de análisis modernos, incluyendo Python, C, MATLAB y estudios de diseño automatizados.

Antecedentes

CEA2 se lanzó en 2002 y ha seguido siendo ampliamente utilizado para el análisis de propulsión y termoquímica. Sin embargo, la implementación original procedimental de Fortran se volvió cada vez más difícil de mantener, extender e integrar en los flujos de trabajo de ingeniería modernos debido a la falta de una interfaz de subrutina. El análisis de propulsión actual requiere cada vez más barridos paramétricos automatizados, integración con otras herramientas de modelado y flujos de trabajo de ingeniería, y soporte para propulsores y combustibles emergentes, incluyendo propulsores verdes y combustibles de aviación sostenibles. Estas necesidades motivaron un esfuerzo de modernización integral para preservar la base técnica validada del CEA al tiempo que se mejora su mantenibilidad, usabilidad e integración con el software de ingeniería moderno.

Mejoras Técnicas

Arquitectura de Software Moderna

CEA v3 está implementado en Fortran 2008 utilizando estructuras de datos orientadas a objetos, tipificación más estricta y una arquitectura de solucionador de equilibrio segura para subprocesos. El software admite interfaces de Fortran, C, Python, MATLAB y Excel. Estas interfaces permiten que el CEA se utilice directamente en canalizaciones de análisis automatizadas, marcos de diseño multidisciplinar y estudios de diseño de experimentos de alto volumen. La compatibilidad retroactiva se admite a través de una interfaz de línea de comandos heredada, lo que permite transferir los archivos de entrada y los flujos de trabajo del CEA existentes con una interrupción mínima.

Datos de Especies y Termodinámicos Ampliados

La base de datos termodinámica se ha ampliado para admitir propulsores y combustibles adicionales relevantes para las aplicaciones actuales de la NASA, incluyendo constituyentes de propulsores verdes como ADN, HAN y LMP-103S, y candidatos a combustibles de aviación sostenibles como el n-butanol. Esta cobertura de especies ampliada mejora la aplicabilidad del CEA para estudios de propulsión de próxima generación, propulsores verdes y combustibles de aviación sostenibles.

Nuevas Capacidades de Modelado

CEA v3 añade o mejora el soporte para varias capacidades de modelado, incluyendo:

• Interfaz de subrutina que permite la integración directa y cálculos de alto volumen.
• Cantidades de reactivos negativas.
• Representaciones de combustible de hidrocarburos inertes, incluyendo los combustibles RP-1, Jet-A y de la serie JP.
• Derivadas totales analíticas para acoplamiento con flujos de trabajo de optimización y análisis de sensibilidad.

Mejoras de Rendimiento

Para uso independiente, los cálculos de equilibrio individuales en CEA v3 son moderadamente más lentos que los cálculos comparables del CEA2, ya que la arquitectura modernizada y la robustez añadida introducen una sobrecarga computacional adicional. En pruebas representativas, un solo cálculo fue aproximadamente un 40 por ciento más lento, pero la diferencia absoluta fue de solo aproximadamente 0.004 segundos por caso. Sin embargo, la arquitectura modernizada proporciona ventajas de rendimiento sustanciales para flujos de trabajo de casos múltiples, que son comunes en estudios de diseño de experimentos, barridos paramétricos, optimización y análisis de incertidumbre. En una prueba de referencia, un barrido de 108.500 casos se completó en aproximadamente 1.11 segundos con CEA v3, en comparación con aproximadamente 15 minutos usando CEA2. Esto corresponde a una reducción de aproximadamente 800 veces en el tiempo de ejecución para ese flujo de trabajo. Estas mejoras hacen que los estudios de viabilidad de propulsión a gran escala y la exploración automatizada del espacio de diseño sean significativamente más prácticos.

Orientación para el Uso en Ingeniería

Los usuarios de ingeniería de la NASA deben considerar la siguiente orientación:

• Utilice CEA v3 para nuevos análisis de propulsión y termoquímica siempre que sea posible para aprovechar las interfaces modernizadas, la base de datos ampliada y la integración mejorada del flujo de trabajo.
• Utilice las interfaces de Python, MATLAB o C para flujos de trabajo automatizados, incluyendo barridos paramétricos, estudios de optimización y análisis de diseño iterativos.
• Utilice la base de datos de especies actualizada para estudios de propulsores verdes y combustibles de aviación sostenibles cuando las especies relevantes estén incluidas y validadas para la aplicación prevista.
• Utilice la interfaz clásica de línea de comandos cuando se requiera continuidad con los flujos de trabajo o archivos de entrada heredados del CEA.
• Conserve la revisión y validación de ingeniería apropiadas al migrar flujos de trabajo establecidos del CEA2 a CEA v3, particularmente para análisis críticos para la misión o casos que dependen de suposiciones heredadas.