کشف نقص حیاتی در آزمایش ماه‌نوردها و مریخ‌نوردها توسط دانشمندان آمریکایی

چالش‌های حرکت در سطوح فرازمینی

وسایل نقلیه فرازمینی مانند مریخ‌نورد «اسپیریت» که در سال ۲۰۰۹ در مریخ گیر افتاد، در صورت مواجهه با شن یا ماسه نرم، با چالش‌های جدی روبرو می‌شوند. مهندسان از زمین تلاش می‌کنند تا با صدور دستورات پیچیده، این وسایل را آزاد کنند، اما این فرآیند ظریف و زمان‌بر است و همیشه موفقیت‌آمیز نیست.

یکی از مهم‌ترین جنبه‌ها در آماده‌سازی برای ماموریت‌های فضایی، درک دقیق نحوه حرکت این وسایل در گرانش کم است. نیروی جاذبه در ماه شش برابر ضعیف‌تر از زمین است. برای شبیه‌سازی این شرایط، پژوهشگران نمونه‌های اولیه‌ای با یک ششم جرم واقعی ماه‌نورد می‌سازند و آنها را در بیابان‌های زمین آزمایش می‌کنند تا عملکردشان را روی شن و ماسه بسنجند.

کشف نقص در روش‌های آزمایش استاندارد

«دن نگرو»، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه ویسکانسین مدیسن و همکارانش، از طریق شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای به یک نقص مهم در این روش استاندارد پی بردند. آنها دریافتند که گرانش زمین، شن و ماسه را بسیار قوی‌تر از گرانش مریخ یا ماه به سمت پایین می‌کشد. این امر باعث می‌شود شن و ماسه روی زمین سفت‌تر و حمایت‌کننده‌تر باشد و احتمال جابه‌جایی آن زیر چرخ‌های وسیله نقلیه کاهش یابد.

نگرو اظهار داشت: «با نگاهی به گذشته می‌بینیم که این ایده ساده به نظر می‌رسد. ما باید نه تنها کشش گرانشی روی ماه‌نورد، بلکه تأثیر گرانش را بر شن و ماسه نیز در نظر بگیریم تا تصویر بهتری را از نحوه عملکرد ماه‌نورد روی ماه داشته باشیم. یافته‌های ما بر ارزش استفاده از شبیه‌سازی مبتنی بر فیزیک برای تحلیل حرکت ماه‌نورد روی خاک تأکید می‌کنند.»

در مقابل، پوشش سطح ماه راحت‌تر جابه‌جا می‌شود، به این معنی که ماه‌نوردها کشش کمتری دارند و این می‌تواند مانع تحرک آنها شود. این تفاوت حیاتی، نتایج آزمایش‌های زمینی را بیش از حد خوش‌بینانه نشان می‌دهد.

نقش نرم‌افزار «کرونو» در این کشف

این کشف مهم در جریان کار پژوهشگران بر روی پروژه‌ای با بودجه ناسا برای شبیه‌سازی ماه‌نورد «وایپر» (VIPER) که برای یک ماموریت قمری برنامه‌ریزی شده بود، حاصل شد. گروه پژوهشی از نرم‌افزار شبیه‌سازی متن‌باز «کرونو» (Chrono) استفاده کردند که در دانشگاه ویسکانسین مدیسن با همکاری دانشمندان ایتالیایی توسعه یافته است.

کرونو به پژوهشگران امکان می‌دهد تا سیستم‌های مکانیکی پیچیده مانند ماه‌نوردهای بزرگ را که روی سطوح شنی یا خاکی نرم کار می‌کنند، به سرعت و با دقت مدل‌سازی کنند. هنگام شبیه‌سازی ماه‌نورد وایپر، آنها متوجه اختلافاتی بین نتایج آزمایش‌های زمینی و شبیه‌سازی‌های خود از حرکت ماه‌نورد روی ماه شدند که در نهایت منجر به آشکار شدن نقص در روش‌های آزمایش شد.

کاربردهای گسترده کرونو

مزایای این پژوهش فراتر از ناسا و سفرهای فضایی است. صدها سازمان در سراسر جهان از کرونو برای درک بهتر سیستم‌های مکانیکی پیچیده استفاده کرده‌اند؛ از ساعت‌های مکانیکی دقیق گرفته تا کامیون‌ها و تانک‌های ارتش آمریکا که در خارج از جاده کار می‌کنند.

نگرو افزود: «این مایه‌ خرسندی است که پژوهش ما با کمک به حل بسیاری از چالش‌های مهندسی در دنیای واقعی مرتبط است. من به آنچه انجام داده‌ایم، افتخار می‌کنم. به عنوان یک آزمایشگاه دانشگاهی، ارائه نرم‌افزارهای صنعتی که توسط ناسا استفاده می‌شوند، بسیار دشوار است.»

کرونو رایگان و برای استفاده عمومی در دسترس است، اما گروه دانشگاه ویسکانسین مدیسن تلاش‌های مداومی برای توسعه، نگهداری و پشتیبانی از آن انجام می‌دهند. این پژوهش در «Journal of Field Robotics» به چاپ رسیده است.