Actualizaciones y Modernización del Código CEA de la NASA: TB 26-04

El código Chemical Equilibrium with Applications (CEA) de la NASA, una herramienta fundamental para el análisis de sistemas de propulsión, ha sido objeto de una importante modernización. La versión legacy CEA2, escrita en Fortran, ha sido transformada en CEA v3, un paquete de software orientado a objetos en Fortran 2008. Esta nueva versión amplía la compatibilidad de interfaces, actualiza los datos termoquímicos y mejora significativamente la mantenibilidad y la integración de flujos de trabajo.

El código modernizado mantiene la compatibilidad retroactiva con los flujos de entrada del CEA legacy, permitiendo su uso directo desde entornos de análisis modernos como Python, C, MATLAB y estudios de diseño automatizados.

Antecedentes

Desde su lanzamiento en 2002, el CEA2 ha sido ampliamente utilizado en análisis de propulsión y termoquímica. Sin embargo, su implementación procedural en Fortran dificultaba su mantenimiento, extensión e integración con los flujos de trabajo de ingeniería modernos debido a la falta de una interfaz de subrutina. Las crecientes demandas de análisis de propulsión, que incluyen barridos paramétricos automatizados, integración con otras herramientas de modelado y soporte para propulsores y combustibles emergentes (como propulsores "verdes" y combustibles de aviación sostenibles), motivaron este esfuerzo de modernización integral. El objetivo fue preservar la base técnica validada del CEA mientras se mejoraba su mantenibilidad, usabilidad e integración con el software de ingeniería contemporáneo.

Mejoras Técnicas

Arquitectura de Software Moderna

CEA v3 está implementado en Fortran 2008 utilizando estructuras de datos orientadas a objetos, tipado más estricto y una arquitectura de solucionador de equilibrio segura para hilos. El software es compatible con interfaces de Fortran, C, Python, MATLAB y Excel. Estas interfaces permiten que el CEA se integre directamente en pipelines de análisis automatizados, marcos de diseño multidisciplinario y estudios de diseño de experimentos de alto volumen. La compatibilidad retroactiva se mantiene a través de una interfaz de línea de comandos heredada, lo que permite transferir archivos de entrada y flujos de trabajo existentes del CEA con una interrupción mínima.

Datos Termodinámicos y de Especies Expandidos

La base de datos termodinámica se ha ampliado para incluir propulsores y combustibles adicionales relevantes para las aplicaciones actuales de la NASA. Esto abarca componentes de propulsores "verdes" como ADN, HAN y LMP-103S, así como candidatos a combustibles de aviación sostenibles como el n-Butanol. Esta cobertura ampliada de especies 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 incorpora 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 inerte, como RP-1, Jet-A y combustibles de la serie JP.
• Derivadas totales analíticas para acoplamiento con flujos de trabajo de optimización y análisis de sensibilidad.

Mejoras de Rendimiento

En uso independiente, los cálculos de equilibrio individuales en CEA v3 son moderadamente más lentos que los cálculos comparables del CEA2. Esto se debe a que la arquitectura modernizada y la robustez añadida introducen una sobrecarga computacional adicional. En pruebas representativas, un solo cálculo fue aproximadamente un 40 % más lento, pero la diferencia absoluta fue de solo alrededor de 0.004 segundos por caso. Sin embargo, la arquitectura modernizada ofrece ventajas de rendimiento sustanciales para flujos de trabajo de múltiples casos, 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 utilizando 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 comparativos de propulsión a gran escala y la exploración automatizada del espacio de diseño sean significativamente más prácticos.

Orientación para Uso de Ingeniería

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

• Utilizar 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 de flujos de trabajo.
• Utilizar las interfaces de Python, MATLAB o C para flujos de trabajo automatizados, incluyendo barridos paramétricos, estudios de optimización y análisis de diseño iterativos.
• Utilizar 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.
• Utilizar la interfaz de línea de comandos clásica cuando se requiera continuidad con los flujos de trabajo o archivos de entrada heredados del CEA.
• Mantener una revisión e 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 supuestos heredados.

Referencias

1. NASA/TM–20260007987
2. Documentación CEA: https://nasa.github.io/cea
3. Repositorio CEA: https://github.com/nasa/cea

Para más información, contactar a Mark K. Leader, Glenn Research Center, mark.leader@nasa.gov.

Traducción al Español y Reformulación

Este texto describe la modernización del código Chemical Equilibrium with Applications (CEA) de la NASA, una herramienta esencial para el análisis de sistemas de propulsión. La versión anterior, CEA2, escrita en Fortran procedural, ha sido actualizada a CEA v3, una versión orientada a objetos en Fortran 2008. Esta nueva iteración mejora la compatibilidad con herramientas modernas como Python y MATLAB, incorpora datos termoquímicos actualizados para una gama más amplia de propulsores y combustibles (incluyendo opciones "verdes" y de aviación sostenible), y facilita la integración en flujos de trabajo automatizados.

Se ha mantenido la compatibilidad retroactiva con los archivos de entrada del CEA2 para minimizar las interrupciones. Las mejoras técnicas incluyen una arquitectura de software más robusta, una base de datos de especies y datos termodinámicos expandida, y nuevas capacidades de modelado. A pesar de una ligera ralentización en cálculos individuales, el rendimiento general para flujos de trabajo complejos y automatizados se ha visto drásticamente mejorado, haciendo más factibles los estudios de diseño y optimización a gran escala.

Se ofrecen directrices para los usuarios de ingeniería de la NASA, recomendando el uso de CEA v3 para nuevos análisis y el aprovechamiento de sus nuevas interfaces para flujos de trabajo automatizados. Se subraya la importancia de la revisión y validación de ingeniería al migrar flujos de trabajo establecidos.

Traducción al Español

El código Chemical Equilibrium with Applications (CEA) de la NASA, una herramienta fundamental para el análisis de sistemas de propulsión, ha sido objeto de una importante modernización. La versión legacy CEA2, escrita en Fortran, ha sido transformada en CEA v3, un paquete de software orientado a objetos en Fortran 2008. Esta nueva versión amplía la compatibilidad de interfaces, actualiza los datos termoquímicos y mejora significativamente la mantenibilidad y la integración de flujos de trabajo. El código modernizado mantiene la compatibilidad retroactiva con los flujos de entrada del CEA legacy, permitiendo su uso directo desde entornos de análisis modernos como Python, C, MATLAB y estudios de diseño automatizados.

Antecedentes

Desde su lanzamiento en 2002, el CEA2 ha sido ampliamente utilizado en análisis de propulsión y termoquímica. Sin embargo, su implementación procedural en Fortran dificultaba su mantenimiento, extensión e integración con los flujos de trabajo de ingeniería modernos debido a la falta de una interfaz de subrutina. Las crecientes demandas de análisis de propulsión, que incluyen barridos paramétricos automatizados, integración con otras herramientas de modelado y soporte para propulsores y combustibles emergentes (como propulsores "verdes" y combustibles de aviación sostenibles), motivaron este esfuerzo de modernización integral. El objetivo fue preservar la base técnica validada del CEA mientras se mejoraba su mantenibilidad, usabilidad e integración con el software de ingeniería contemporáneo.

Mejoras Técnicas

Arquitectura de Software Moderna

CEA v3 está implementado en Fortran 2008 utilizando estructuras de datos orientadas a objetos, tipado más estricto y una arquitectura de solucionador de equilibrio segura para hilos. El software es compatible con interfaces de Fortran, C, Python, MATLAB y Excel. Estas interfaces permiten que el CEA se integre directamente en pipelines de análisis automatizados, marcos de diseño multidisciplinario y estudios de diseño de experimentos de alto volumen. La compatibilidad retroactiva se mantiene a través de una interfaz de línea de comandos heredada, lo que permite transferir archivos de entrada y flujos de trabajo existentes del CEA con una interrupción mínima.

Datos Termodinámicos y de Especies Expandidos

La base de datos termodinámica se ha ampliado para incluir propulsores y combustibles adicionales relevantes para las aplicaciones actuales de la NASA. Esto abarca componentes de propulsores "verdes" como ADN, HAN y LMP-103S, así como candidatos a combustibles de aviación sostenibles como el n-Butanol. Esta cobertura ampliada de especies 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 incorpora 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 inerte, como RP-1, Jet-A y combustibles de la serie JP.
• Derivadas totales analíticas para acoplamiento con flujos de trabajo de optimización y análisis de sensibilidad.

Mejoras de Rendimiento

En uso independiente, los cálculos de equilibrio individuales en CEA v3 son moderadamente más lentos que los cálculos comparables del CEA2. Esto se debe a que la arquitectura modernizada y la robustez añadida introducen una sobrecarga computacional adicional. En pruebas representativas, un solo cálculo fue aproximadamente un 40 % más lento, pero la diferencia absoluta fue de solo alrededor de 0.004 segundos por caso. Sin embargo, la arquitectura modernizada ofrece ventajas de rendimiento sustanciales para flujos de trabajo de múltiples casos, 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 utilizando 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 comparativos de propulsión a gran escala y la exploración automatizada del espacio de diseño sean significativamente más prácticos.

Orientación para Uso de Ingeniería

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

• Utilizar 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 de flujos de trabajo.
• Utilizar las interfaces de Python, MATLAB o C para flujos de trabajo automatizados, incluyendo barridos paramétricos, estudios de optimización y análisis de diseño iterativos.
• Utilizar 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.
• Utilizar la interfaz de línea de comandos clásica cuando se requiera continuidad con los flujos de trabajo o archivos de entrada heredados del CEA.
• Mantener una revisión e 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 supuestos heredados.