被困于月尘：困扰NASA多年的物理错误

尽管勇气号探测器已永久被困，未来在地球陆地进行的更完善地形测试或可帮助避免此类地外危机。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程师通过计算机模拟，揭示了当前地球测试月球车方法的缺陷。该误差导致人们对月球车执行地外任务时的性能表现产生过度乐观的判断。

任务筹备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车六分之一的原型车来抵消重力差异。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月球表现。

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Dan Negrut及其合作者通过模拟发现，地球引力对沙粒的下拉作用远强于火星或月球引力。地球上的沙粒更坚硬且支撑性更强——降低了车辆轮下沙粒流动的可能性。但月球表面"更蓬松"，因而更易流动——这意味着月球车牵引力更小，可能阻碍其机动性。

"回顾起来原理很简单：我们不仅要考虑引力对月球车的作用，还需考虑引力对沙粒的影响，才能更准确预测月球车在月表的性能，"Negrut表示。"我们的研究结果突显了基于物理模拟分析颗粒土壤中月球车机动性的价值。"

该团队近期在Journal of Field Robotics期刊详细发表了研究成果。

此发现源于团队承担NASA资助项目期间，该项目旨在模拟原计划执行月球任务的VIPER月球车。团队利用了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Project Chrono。该软件可快速精确模拟复杂机械系统——例如在"松软"沙土表面运行的全尺寸月球车。

在模拟VIPER月球车时，他们注意到地球测试结果与月球表面机动性模拟之间存在差异。通过Chrono模拟深入分析后，揭示了测试方法的缺陷。

这项研究的效益远不止于NASA和太空探索。在地球应用方面，已有数百家机构使用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卡车坦克均在其列。

"我们的研究能切实助力解决现实工程难题，这令人欣慰，"Negrut说。"我为团队成就感到自豪。大学实验室能开发出NASA采用的工业级软件实属不易。"

Chrono在全球范围内免费公开提供无限制使用，但威斯康星大学麦迪逊分校团队持续投入大量工作进行软件开发维护并提供用户支持。

"学术界产出这种级别的软件产品实属罕见，"Negrut指出。"在涉及NASA及行星探索的特定应用中，我们的模拟器能解决其他工具（包括科技巨头的模拟器）无法解决的难题，这令人振奋。"

由于Chrono是开源软件，Negrut团队持续专注创新升级以保持其前沿性。

"所有创意都在公共领域，竞争对手可快速采用，这驱使我们不断前进，"他表示。"过去十年我们幸运地获得了美国国家科学基金会、陆军研究办公室和NASA的支持。这些资助至关重要，因为我们未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胡伟、威斯康星大学麦迪逊分校李沛、NASA的Arno Rogg与Alexander Schepelmann、ProtoInnovations公司的Samuel Chandler，以及MIT的Ken Kamrin。

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