月球尘埃陷阱：误导NASA多年的物理错误

虽然勇气号探测器永久陷住，但未来在地球上进行更优的地形测试有助于避免这类星际危机。

通过计算机模拟，威斯康星大学麦迪逊分校机械工程师揭示了地球测试火星车方法中的缺陷。该错误导致对火星车部署在星际任务中行为表现的过度乐观结论。

任务筹备的关键要素是准确理解火星车在低重力下如何穿越外星表面，以防其在柔软地形或多岩石区域陷住。

月球引力仅为地球六分之一。数十年来，测试人员通过制造质量为实际火星车六分之一的原型来补偿重力差异。他们在沙漠测试这些轻量火星车，观察其在沙地移动情况，以推断其在月球的表现。

然而，这一标准测试方法忽视了看似无关紧要的细节：地球引力对沙漠沙子的作用。

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确定，地球引力对沙子的拉力远强于火星或月球引力。地球沙粒更坚硬且支撑性强——降低其在车轮下位移的概率。但月球表面更"蓬松"且易位移——这意味着火星车牵引力更低，可能阻碍其移动性。

"追溯起来，原理很简单：我们不仅需考虑火星车的引力作用，还需纳入引力对沙子的影响，才能更准确预测其在月球表现，"内格鲁特表示。"我们的发现凸显了采用基于物理的模拟分析火星车在粒状土壤移动性的价值。"

该团队近期在野外机器人学杂志详述了其研究成果。

此发现源自NASA资助的VIPER火星车模拟项目（该车计划执行月球任务）。团队利用克罗诺项目（Project Chrono）——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。该软件支持研究者快速精确建模复杂机械系统（如在"松软"沙土表面运行的全尺寸火星车）。

模拟VIPER火星车时，他们发现地球测试结果与月球移动性模拟存在差异。通过克罗诺模拟深入分析后，测试缺陷得以揭露。

该研究效益远超NASA及太空探索范畴。地球应用中，克罗诺已被数百家机构用于解析复杂机械系统——从精密机械手表到美军越野卡车与坦克。

"我们的研究对解决现实工程挑战高度相关，这极具回报，"内格鲁特称。"我以团队成就为傲。大学实验室能推出NASA采用的工业级软件实属不易。"

"学术界产出此级别软件产品极为罕见，"内格鲁特指出。"在NASA及行星探索相关领域，我们的模拟器能解决其他工具（包括大型科技公司产品）无法攻克的问题，这令人振奋。"

因克罗诺属开源项目，内格鲁特团队致力于持续创新升级以保持竞争力。

"所有创意均属公共领域，竞争者能快速采纳，这驱使我们不断前进，"他坦言。"过去十年，我们幸运获得国家科学基金会、美国陆军研究办公室及NASA支持。因软件免费开放，这些资助至关重要。"

论文合著者包括上海交通大学魏虎、威斯康星大学麦迪逊分校李沛、NASA阿尔诺·罗格与亚历山大·舍佩尔曼、ProtoInnovations, LLC塞缪尔·钱德勒及麻省理工学院肯·卡姆林。

本研究获NASA STTR (80NSSC20C0252)、国家科学基金会(OAC2209791)及美国陆军研究办公室(W911NF1910431与W911NF1810476)资助。