深陷月球尘埃：蒙蔽NASA多年的原理性错误

尽管勇气号探测器永久陷困，但在未来，更好的实地地形测试可能有助于避免此类天体危机。

威斯康星大学麦迪逊分校的机械工程师通过计算机模拟，发现了月球车在地球测试方法中的一个缺陷。该错误导致人们对月球车在执行外星任务时的表现得出过于乐观的结论。

任务准备阶段的一个重要环节是准确理解月球车如何在低重力环境下穿越外星表面，以防止其陷入松软地形或岩石区域。

月球上的引力比地球弱六倍。数十年来，研究人员通过制造质量仅为实际月球车六分之一的原型车来测试，以此抵消重力差异。他们在沙漠中测试这些轻型月球车，观察其在沙地上的移动情况，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无关紧要的细节：地球引力对沙漠沙粒的作用。

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通过模拟发现，地球引力对沙粒的下拉力远强于火星或月球引力。地球上，沙粒更坚硬且更具支撑性——降低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——这意味着月球车的牵引力较小，从而可能妨碍其机动性。

"事后看来道理很简单：我们不仅要考虑探测器所受的引力，还需考虑引力对沙粒的影响，才能更准确地预测探测器在月球上的表现，"内格鲁特表示。"我们的研究结果强调了利用基于物理学的模拟来分析探测器在颗粒状土壤上机动性的价值。"

该团队近日将其发现详细发表于《野外机器人学杂志》。

研究人员的发现源于其参与的美国宇航局资助项目，该项目旨在模拟原计划执行月球任务的VIPER探测器。团队利用了Chrono项目——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精准地建模复杂机械系统，例如在"松软"沙土表面运行的全尺寸探测器。

在模拟VIPER探测器时，他们注意到地球测试结果与月球表面机动性模拟之间存在差异。通过Chrono模拟的深入挖掘揭示了测试方法的缺陷。

这项研究的益处远超美国宇航局及太空旅行范畴。在地球应用中，已有数百家机构使用Chrono软件来更好地理解复杂机械系统——从精密机械腕表到在越野环境下运行的美国陆军卡车和坦克。

"我们的研究能切实帮助解决众多现实工程挑战，这很有意义，"内格鲁特说。"我为团队成就感到自豪。作为大学实验室，能开发出被美国宇航局采用的工业级软件实属不易。"

Chrono软件全球免费开放使用，但威斯康星大学麦迪逊分校团队持续投入大量工作进行开发维护并提供用户支持。

"在学术界产出此级别软件产品非常罕见，"内格鲁特指出。"对于美国宇航局及行星探索相关的特定应用领域，我们的模拟器能解决其他工具（包括科技巨头的模拟器）无法解决的问题，这令人振奋。"

由于Chrono是开源项目，内格鲁特团队专注于持续创新升级以保持其竞争力。

"我们所有创意都在公共领域，竞争对手可以快速采纳，这驱使我们不断前进，"他表示。"过去十年有幸获得美国国家科学基金会、陆军研究办公室和美国宇航局的资助。这些资金至关重要，因为我们不向任何软件使用者收取费用。"

论文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李沛、美国宇航局的阿诺·罗格和亚历山大·舍佩尔曼、ProtoInnovations公司的塞缪尔·钱德勒，以及麻省理工学院的肯·卡姆林。

本研究获得美国宇航局小企业技术转移计划（80NSSC20C0252）、美国国家科学基金会（OAC2209791）及美国陆军研究办公室（W911NF1910431和W911NF1810476）资助。