Недавние миссии NASA по исследованию космоса оказались под пристальным вниманием из-за потенциальной ошибки в понимании физики лунных и марсианских поверхностей. Во время работы над миссией VIPER команда заметила значительное расхождение в моделировании динамики лунного и марсианского грунта во время тестирования марсохода. Этот просчёт мог способствовать возникновению проблем в прошлом, например, судьба марсохода Spirit, который застрял на Марсе, когда его колёса провалились в мягкий песок планеты.
Физика, стоящая за проблемой
Посадка космического корабля на другое небесное тело — непростая задача, а посадка марсохода на Луну или Марс добавляет дополнительную сложность. Космические агентства обычно полагаются на наземные испытания, чтобы имитировать работу марсоходов на других планетах. В течение многих лет NASA использовало такие среды, как пустыни или специально созданный «марсианский двор» в Лаборатории реактивного движения (JPL), для проведения этих экспериментов. Хотя эти испытания сыграли важную роль в планировании миссий, новое исследование предполагает, что они могли привести к излишне оптимистичным выводам.
Брайан Мартин, менеджер по бортовому программному обеспечению и испытательным стендам в JPL, подчеркнул тщательность этих испытаний: «Мы много всего тестируем, выясняем, чего следует избегать». Однако в исследовании отмечается, что текущие методы испытаний могут не полностью учитывать существенные различия в условиях поверхности между Землёй и другими небесными телами.
Недопонимание механики грунта
Основная проблема, выявленная в исследовании, заключается в том, как NASA и другие космические агентства подходят к тестированию марсоходов в условиях низкой гравитации. Марс с его гравитацией, составляющей всего 38% от земной, и Луна с её 17% представляют уникальные проблемы, когда речь идёт о взаимодействии с грунтом и местностью. Например, чтобы компенсировать слабую гравитацию Марса, учёные уменьшают массу марсоходов во время испытаний.
Исследование указывает на то, что NASA слишком много внимания уделяла моделированию влияния гравитации на сам марсоход, не учитывая, как более слабая гравитация влияет на грунты, пески и пыль на Марсе и Луне. Поведение грунта может значительно отличаться от того, как оно моделируется на земных поверхностях, что может привести к просчётам в мобильности марсохода.
Симуляции предлагают новые идеи
Миссия NASA VIPER, которая была прекращена, привлекла внимание к этому пробелу в понимании. Используя общедоступный физический симулятор под названием Project Chrono, команда из Университета Висконсин-Мэдисон обнаружила существенный недостаток в моделировании лунного грунта во время испытаний. По словам Дэна Негрута, профессора машиностроения в UW-Madison: «Нам нужно учитывать не только гравитационное притяжение на марсоход, но и влияние гравитации на песок, чтобы лучше понять, как марсоход будет вести себя на Луне».
Результаты моделирования показали, что предыдущие испытания марсоходов на Земле могли переоценить проходимость лунного и марсианского рельефа. Когда исследовательская группа сравнила моделирование поведения марсохода на Луне и Земле, они обнаружили, что физические свойства грунта сильно различались из-за меньшей гравитации на лунной поверхности. Это говорит о том, что в некоторых случаях может не потребоваться уменьшение массы марсохода в земных испытаниях, если условия грунта не скорректированы должным образом с учётом различий в гравитации.
Пересмотр конструкции марсохода для будущих миссий
Новые выводы могут иметь значительные последствия для будущих миссий NASA. Исследование выступает за более сложный подход при проектировании марсоходов и других исследовательских аппаратов для других планетных тел. Исследователи предполагают, что космические агентства должны больше полагаться на модели физики-террамеханики — продвинутые симуляции, учитывающие не только влияние гравитации на марсоход, но и на местность.
Негрут также подчеркнул важность использования передовых инструментов моделирования, заявив, что такие технологии являются прорывом в освоении космоса: «Существуют определённые типы приложений, актуальных для NASA и исследования планет, где наш симулятор может решать задачи, которые не может решить ни один другой инструмент».