NASA探测车测试时不断被困 工程师刚刚发现了原因

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们发现了美国宇航局在地球上测试火星车时的一个令人惊讶的缺陷。几十年来，研究人员一直在调整月球车的重量，以模拟月球或火星上较低的重力环境，但他们忽视了地球引力对沙子本身的影响。实际上，月球土壤比地球沙子更松散，支撑力也更弱，这使得月球车更容易被卡住。

机械工程教授丹·内格鲁特与一辆用于测试的太空探测器合影。图片来源：乔尔·哈尔伯格/威斯康星大学麦迪逊分校

当一艘价值数百万美元的航天器陷入松软的沙地或砾石中时，就像美国宇航局2009年的火星探测器“勇气号”那样，救援它的任务就落在了地球上的工程师身上。他们就像远程控制的牵引车一样，发出一系列精心设计的指令，移动车轮或改变路径。这是一个缓慢而精细的过程，旨在解救航天器，使其能够继续执行任务。

勇气号从未脱离大气层，但如果在发射前在地球上对火星车设计进行更有效的测试，未来的任务可能会避免类似的挫折。

威斯康星大学麦迪逊分校的机械工程师利用计算机模拟揭示了当前地球测试方法的一个缺陷。这种疏忽常常导致人们对探测车在月球或火星实际地形下的适应能力做出过于乐观的预测。任务规划的一个关键部分是了解探测车在低重力条件下如何在地外表面行驶，以便避开软土或岩石场等危险区域。

火星探测车的运行由威斯康星大学麦迪逊分校开发的开源物理模拟引擎“Chrono”项目进行模拟。图片来源：Dan Negrut / 威斯康星大学麦迪逊分校

月球上的引力只有地球的六分之一。几十年来，工程师们一直致力于解决这个问题，他们建造了重量相当于真实月球车六分之一的测试模型，然后驾驶它们穿越沙漠来测试其性能。

然而，这种长期存在的方法忽略了一个重要因素：地球更强的引力如何影响沙子本身。

威斯康星大学麦迪逊分校教授丹·内格鲁特和他的同事利用先进的模拟技术发现，地球引力对沙子的压缩程度比火星或月球等较弱的重力更大。在地球上，这使得地表更加坚固，支撑力更强，从而降低了沙子在探测车车轮下移动的可能性。然而，在月球上，土壤更松散，更容易移动，这意味着探测车的牵引力更小，被困的风险更大。

“回想起来，这个想法很简单：我们不仅需要考虑火星车受到的引力，还要考虑重力对沙土的影响，这样才能更好地了解火星车在月球上的表现，”内格鲁特说。“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机动性的价值。”

该团队最近在《野外机器人杂志》上详细介绍了他们的研究结果。

美国宇航局挥发物调查极地探测车（VIPER）的最终设计方案，由艺术家绘制。图片来源：NASA/Daniel Rutter

研究人员的发现源于他们参与NASA资助的VIPER月球车模拟项目，该项目旨在模拟计划用于月球探测任务的VIPER月球车。该团队利用了Project Chrono，这是一个由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模拟复杂的机械系统，例如在“湿软”的沙地或土壤表面行驶的全尺寸月球车。

在模拟 VIPER 月球车时，他们注意到地面测试结果与月球车在月球上的机动性模拟结果存在差异。通过 Chrono 模拟进行深入挖掘，发现了测试缺陷。

这项研究的益处远不止于NASA和太空旅行。在地球上的应用方面，Chrono已被数百个组织用于更好地理解复杂的机械系统——从精密机械表到在越野条件下行驶的美国陆军卡车和坦克。

“我们的研究与解决许多现实世界的工程挑战高度相关，这令人欣慰，”内格鲁特说道。“我为我们所取得的成就感到自豪。作为一个大学实验室，要开发出NASA使用的工业级软件非常困难。”

Chrono 是免费的，可供全球公众不受限制地使用，但威斯康星大学麦迪逊分校团队投入了大量的持续工作来开发和维护该软件并提供用户支持。

漫游车在基于仿真的工程实验室的沙地上行驶。图片来源：Joel Hallberg / 威斯康星大学麦迪逊分校

“在学术界，开发这种级别的软件产品非常罕见，”内格鲁特说道。“在某些与NASA和行星探索相关的应用中，我们的模拟器可以解决其他工具（包括大型科技公司的模拟器）无法解决的问题，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，竞赛可以快速采用，这推动着我们不断前进，”他说道。“过去十年，我们非常荣幸地获得了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和美国国家航空航天局 (NASA) 的支持。这些资金确实发挥了重要作用，因为我们不向任何人收取软件使用费。”

编译自/scitechdaily