被月尘困住：蒙蔽NASA多年的物理学谬误

尽管勇气号探测器永久陷困，但未来更好的地球实地地形测试或能帮助避免此类地外危机。

威斯康星大学麦迪逊分校的机械工程师通过计算机模拟，揭示了当前月球车在地球测试方法中存在的一个缺陷。该误差导致人们对月球车执行地外任务时的表现产生过于乐观的结论。

任务准备工作的关键要素在于准确理解月球车如何在低重力环境下穿越地外表面，以防止其陷入松软地形或岩石区域。

月球上的重力牵引力仅为地球的六分之一。数十年来，研究人员测试月球车时，通过制造质量仅为实际月球车六分之一的原型机来补偿重力差异。他们在沙漠中测试这些轻量化月球车，观察其在沙地上的移动情况，以推演其在月球上的表现。

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：地球重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，地球重力对沙粒的下拉作用远强于火星或月球引力。在地球上，沙粒更具刚性和支撑力——降低了其在车轮下移动的可能性。但月球表面"更松软"，因此更容易移位——这意味着月球车的牵引力更小，可能阻碍其移动能力。

"在回顾中，这个理念很简单：我们不仅需要考虑重力对月球车的作用，还需考量重力对沙粒的影响，才能更准确地预测月球车在月球的表现。"内格鲁特指出，"我们的发现凸显了运用基于物理的模拟来分析月球车在颗粒土壤上移动性的价值。"

该团队近期在《野外机器人学杂志》上详细发表了其研究成果。

研究人员的发现源自其参与美国国家航空航天局（NASA）资助的VIPER月球车模拟项目。该团队利用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Chrono项目。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"易变形"沙土表面运行的整尺寸月球车。

在模拟VIPER月球车时，他们注意到地球测试结果与月球移动性模拟之间存在差异。通过Chrono模拟的深入挖掘揭示了该测试缺陷。

此项研究的效益远超出NASA及太空探索范畴。在地球应用领域，已有数以百计的组织机构使用Chrono来更好地理解复杂机械系统——从精密机械腕表到美军越野行驶的卡车坦克。

"我们的研究能切实助力解决众多现实工程挑战，这令人倍感欣慰。"内格鲁特表示，"我为我们取得的成就自豪。作为大学实验室，能研发出被NASA采用的工业级软件实属不易。"

Chrono在全球范围内免费公开供无障碍使用，但威斯康星大学麦迪逊分校团队持续投入大量工作来开发维护该软件并提供用户支持。

"在学术界产出此等级别的软件产品非常罕见。"内格鲁特强调，"在涉及NASA及行星探索的特定应用领域，我们的模拟器能解决其他工具无法攻克的问题——包括科技巨头的模拟器，这令人振奋。"

鉴于Chrono是开源项目，内格鲁特团队专注于持续创新和增强软件以保持其前沿性。

"我们所有创意都处于公共领域，竞争对手可快速采纳，这驱使我们不断前进。"他解释道，"过去十年我们有幸获得美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和NASA的支持。这些资助至关重要，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培、NASA的阿诺·罗格与亚历山大·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。

本研究由NASA小企业技术转移计划（80NSSC20C0252）、美国国家科学基金会（OAC2209791）和美国陆军研究办公室（W911NF1910431、W911NF1810476）资助。