被月球尘埃困住：多年来愚弄美国宇航局的物理错误
当一辆价值数百万美元的外星飞行器被困在柔软的沙子或砾石中时——就像 2009 年的火星探测器 Spirit 一样——地球工程师像一辆虚拟拖车一样接管，发出一系列命令，移动车轮或反转航向，以一种微妙而耗时的努力来释放它并继续其探索 任务。 虽然 Spirit 仍然永久停留，但在未来，在陆地上进行更好的地形测试可能有助于避免这些天体危机。 威斯康星大学麦迪逊分校的机械工程师利用计算机模拟发现了火星车在地球上测试方式的一个缺陷。 这一错误导致对火星车一旦被部署执行外星任务后将如何表现得出过于乐观的结论。 准备这些任务的一个重要因素是准确了解火星车将如何在低重力下穿越地外表面，以防止其被困在松软的地形或岩石区域。 开启月球，引力是地球上的六倍。 几十年来，测试火星车的研究人员通过制造质量为实际火星车六分之一的原型来解释这种重力差异。 他们在沙漠中测试这些轻型漫游车，观察它如何在沙子上移动，以深入了解它在月球上的表现。 然而，事实证明，这种标准测试方法忽略了一个看似无关紧要的细节：地球的沙漠上的重力。 通过模拟，威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授 Dan Negrut 和他的合作者确定，地球的重力对沙子的拉力比火星或月球上的重力大得多。 在地球上，沙子更坚硬、更具支撑性——减少了它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较小，这可能会阻碍它们流动性。 “回想起来，这个想法很简单：我们不仅需要考虑火星车上的引力，还需要考虑重力对沙子的影响，以便更好地了解火星车在月球上的表现，”Negrut 说。 “我们的研究结果强调了使用基于物理的模拟来分析火星车在颗粒土壤上的机动性的价值。” 该团队最近在野外机器人杂志. 研究人员的发现源于他们在美国宇航局资助的模拟 VIPER 火星车的项目，该项目原计划用于月球任务。 该团队利用了 Project Chrono，这是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。 该软件使研究人员能够快速准确地对复杂的机械系统进行建模，例如在“柔软”的沙子或土壤表面上运行的全尺寸漫游车。 在模拟 VIPER 火星车时，他们注意到基于地球的测试之间存在差异结果及其对火星车在月球上的机动性的模拟。 通过 Chrono 模拟进行深入挖掘，发现了测试缺陷。 这项研究的好处也远远超出了 NASA 和太空旅行的范围。 对于地球上的应用，Chrono 已被数百家组织使用，以更好地了解复杂的机械系统——从精密机械表到美国 在越野条件下运行的军用卡车和坦克。 “我们的研究高度相关，这是有益的帮助解决许多现实世界的工程挑战，“Negrut 说。 “我为我们所取得的成就感到自豪。 作为一个大学实验室，要推出美国宇航局使用的工业级软件是非常困难的。 Chrono 是免费的，可在全球范围内不受限制地使用，但威斯康星大学麦迪逊分校团队正在进行大量工作来开发和维护该软件并提供用户支持。 “在学术界生产这种级别的软件产品是非常不寻常的，”Negrut说。 “在某些类型的应用程序中，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，Negrut 和他的团队专注于不断创新和增强软件以保持相关性。 “我们所有的想法都属于公共领域，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美国国家科学基金会的支持。 陆军研究办公室和美国宇航局。 这笔资金确实产生了影响，因为我们不向任何人收取使用我们软件的费用。 论文的合著者包括上海交通大学的胡伟、威斯康星大学麦迪逊分校的 Pei Li、NASA 的 Arno Rogg 和 Alexander Schepelmann、ProtoInnovations， LLC 的 Samuel Chandler 和麻省理工学院的 Ken Kamrin。 这项工作得到了美国宇航局的支持STTR （80NSSC20C0252）、美国国家科学基金会 （OAC2209791） 和美国 陆军研究办公室，（W911NF1910431 和 W911NF1810476）。