月球尘埃陷车之谜：物理模拟错误如何蒙蔽NASA多年
美国宇航员巴兹·奥尔德林于1969年7月阿波罗11号任务期间在月球表面留下的靴印。图片来源：某中心。
当一辆价值数百万美元的外星探测车陷入柔软的沙地或砾石中时——就像2009年火星探测车“勇气号”那样——地球上的工程师便会像虚拟拖车一样接管控制，发出一系列指令来移动其车轮或使其倒车，以进行细致而耗时的努力，试图使其脱困并继续探索任务。
虽然“勇气号”最终永久被困，但未来，在地球上进行更好的地形测试将有助于避免此类太空危机。
威斯康星大学麦迪逊分校的机械工程师通过计算机模拟，发现了地面测试漫游车方法中的一个缺陷。这个错误导致了对漫游车一旦部署到外星任务后其行为表现过于乐观的结论。
为这些任务做准备的一个重要环节，是准确理解漫游车在低重力环境下如何穿越外星表面，以防止其陷入柔软地形或岩石区域。在月球上，重力仅为地球的六分之一。几十年来，测试漫游车的研究人员通过制造一个质量为实际漫游车六分之一的原型车来应对这种重力差异。他们在沙漠中测试这些轻型漫游车，观察其如何在沙地上移动，以深入了解其在月球上的表现。
然而，事实证明，这种标准测试方法忽略了一个看似微不足道的细节：地球重力对沙漠沙子的作用。通过模拟，威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授丹·内格鲁特及其合作者确定，地球重力对沙子的下拉作用比火星或月球重力强得多。在地球上，沙子更坚硬、支撑性更强——减少了其在车轮下移动的可能性。但月球表面“更蓬松”，因此更容易移动——这意味着漫游车的牵引力更小，从而可能阻碍其机动性。
“回想起来，这个想法很简单：我们不仅需要考虑重力对漫游车的拉力，还需要考虑重力对沙子的影响，以便更好地了解漫游车在月球上的表现，”内格鲁特说。“我们的研究结果强调了使用基于物理的模拟来分析漫游车在颗粒土壤上的机动性的价值。”该团队最近在《现场机器人学杂志》上详细介绍了他们的发现。
研究人员的这一发现源于他们参与的一项某中心资助的项目，该项目旨在模拟原计划执行月球任务的VIPER漫游车。该团队利用了Chrono项目，这是一个由威斯康星大学麦迪逊分校与意大利科学家合作开发的开源物理模拟引擎。该软件允许研究人员快速准确地模拟复杂的机械系统——例如在“松软”沙土或土壤表面运行的全尺寸漫游车。
在模拟VIPER漫游车时，他们注意到地面测试结果与他们对漫游车在月球上机动性的模拟结果之间存在差异。通过Chrono模拟进行深入挖掘，揭示了测试中的这一缺陷。
这项研究的益处也远不止于某中心和太空旅行。在地球应用中，已有数百家组织使用Chrono来更好地理解复杂的机械系统——从精密的机械手表到在越野条件下运行的美国陆军卡车和坦克。
“我们的研究在帮助解决许多现实世界的工程挑战方面具有高度相关性，这很有意义，”内格鲁特说。“我为我们的成就感到自豪。作为一个大学实验室，发布被某中心使用的工业级软件是非常困难的。”Chrono在全球范围内免费公开使用，但威斯康星大学麦迪逊分校的团队投入了大量持续的工作来开发和维护该软件并提供用户支持。
“在学术界，开发出这种水平的软件产品是非常不寻常的，”内格鲁特说。“在与某中心和行星探索相关的某些类型应用中，我们的模拟器可以解决其他工具无法解决的问题，包括来自大型科技公司的模拟器，这令人兴奋。”由于Chrono是开源的，内格鲁特和他的团队专注于不断创新和增强该软件以保持其相关性。
“我们所有的想法都在公共领域，竞争对手可以迅速采用它们，这推动我们不断前进，”他说。“在过去的十年里，我们很幸运地得到了国家科学基金会、美国陆军研究办公室和某中心的支持。这笔资金确实起到了作用，因为我们不向任何人收取软件使用费。”
该论文的合作者包括上海交通大学的胡伟、威斯康星大学麦迪逊分校的李沛、某中心的阿尔诺·罗格和亚历山大·谢佩尔曼、ProtoInnovations有限责任公司的塞缪尔·钱德勒以及麻省理工学院的肯·卡姆林。
这项工作得到了某中心STTR（80NSSC20C0252）、国家科学基金会（OAC2209791）和美国陆军研究办公室（W911NF1910431和W911NF1810476）的支持。
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