Когда многомиллионный инопланетный ровер застревает в мягком песке или гравии — как это случилось с марсоходом «Спирит» в 2009 году — земные инженеры превращаются в виртуальную эвакуационную службу. Они посылают команды, чтобы повернуть колеса или дать задний ход. Это кропотливая и медленная работа, чтобы освободить аппарат и продолжить миссию.

«Спирит» так и остался в песчаной ловушке навсегда. Но в будущем более качественные испытания грунта здесь, на Земле, могут помочь избежать подобных космических ЧП.

С помощью компьютерного моделирования инженеры-механики Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили изъян в том, как роверы испытывают на Земле. Эта ошибка приводит к излишне оптимистичным прогнозам о поведении аппаратов в реальных внеземных условиях.

Ключевой элемент подготовки — точное понимание того, как ровер будет перемещаться по инопланетным поверхностям в условиях слабой гравитации, чтобы не застрять в мягком грунте или среди камней.

На Луне сила притяжения в шесть раз слабее, чем на Земле. Десятилетиями исследователи учитывали эту разницу, создавая прототип, масса которого в шесть раз меньше массы настоящего ровера. Эти облегченные модели тестируют в пустынях, наблюдая за их движением по песку, чтобы понять, как они поведут себя на Луне.

Однако оказалось, что в этом стандартном подходе упустили одну, казалось бы, незначительную деталь: притяжение Земли действует не только на ровер, но и на сам песок.

С помощью моделирования Дэн Негрут, профессор машиностроения, и его коллеги выяснили, что земная гравитация сильнее прижимает песчинки друг к другу, чем это делает слабая гравитация Марса или Луны. На Земле песок более жесткий и устойчивый — он меньше проседает под колесами машины. Но лунная поверхность «пушистее» и легче смещается — а значит, у роверов меньше сцепления, что может серьезно ограничить их подвижность.

Если оглянуться назад, идея лежит на поверхности: нам нужно учитывать не только силу притяжения, действующую на ровер, но и ее влияние на песок, чтобы получить точную картину работы аппарата на Луне, — говорит Негрут. — Наши выводы подчеркивают ценность физического моделирования для анализа проходимости роверов по сыпучему грунту.

Команда недавно опубликовала свои находки в издании Journal of Field Robotics.

Открытие стало побочным продуктом работы над проектом NASA по моделированию ровера VIPER, который планировали отправить на Луну. Команда использовала Project Chrono — бесплатный симулятор физики, разработанный в Университете Висконсин-Мэдисон вместе с учеными из Италии. Это программное обеспечение позволяет быстро и точно моделировать сложные механические системы — например, полноразмерные роверы, работающие на «мягких» поверхностях вроде песка.

Моделируя поведение VIPER, они заметили расхождения между результатами земных испытаний и своими симуляциями подвижности аппарата на Луне. Более глубокий анализ с помощью Chrono и выявил этот фундаментальный изъян в методике испытаний.

Польза от этого исследования выходит далеко за рамки NASA и космических путешествий. На Земле Chrono используют сотни организаций для лучшего понимания сложных механических систем:

• Производство точных механических часов.
• Тестирование внедорожных качеств грузовиков и танков армии США.
• Разработка сельскохозяйственной и строительной техники.

Приятно осознавать, что наши исследования помогают решать множество прикладных инженерных задач, — говорит Негрут. — Я горжусь тем, чего мы достигли. Университетской лаборарии редко удается создать промышленное программное обеспечение, которое использует NASA.

Chrono находится в свободном доступе по всему миру, но команда из Висконсин-Мэдисон прикладывает огромные усилия, чтобы развивать и поддерживать софт, а также помогать пользователям.

В академической среде редко создают программный продукт такого уровня, — отмечает Негрут. — Есть целый класс задач, связанных с NASA и исследованием планет, где наш симулятор решает проблемы, не под силу другим инструментам, включая продукты гигантов tech-индустрии. Это очень вдохновляет.

Поскольку Chrono — проект с открытым исходным кодом, Негрут и его команда сосредоточены на постоянном совершенствовании, чтобы оставаться на переднем крае.

Все наши идеи становятся достоянием общественности, и конкуренты могут быстро их перенять, — объясняет он. — Это заставляет нас постоянно двигаться вперед. Нам повезло получать финансирование от Национального научного фонда, Армейского исследовательского управления и NASA. Эти средства очень важны, ведь мы ни с кого не берем денег за использование нашего софта.

Польза этого исследования носит фундаментальный и прикладной характер.

• Во-первых, оно напрямую влияет на безопасность и эффективность будущих космических миссий стоимостью в миллиарды долларов. Понимание истинной механики взаимодействия колеса с грунтом в низкой гравитации позволит проектировать более проходимые и надежные роверы, минимизируя риски их потери. Это ускорит исследование Луны и Марса.
• Во-вторых, открытие породило новый методологический стандарт для наземных испытаний. Теперь инженеры будут моделировать не только массу аппарата, но и свойства самого грунта, что резко повысит точность прогнозов.
• В-третьих, разработанный инструмент — симулятор Chrono — уже нашел применение на Земле, оптимизируя работу внедорожников и сельхозтехники, что доказывает его высокую универсальность и экономический потенциал.

Основное замечание касается валидации модели. Исследование основано на компьютерном моделировании, и хотя Chrono — мощный инструмент, его прогнозы необходимо подтверждать реальными экспериментами в условиях, максимально приближенных к лунным или марсианским. Такие условия можно создать, например, в самолетах, летящих по параболической траектории, где на несколько десятков секунд наступает невесомость, или на специальных стендах с принудительной разгрузкой. Без такой эмпирической проверки всегда остается доля сомнения в том, что симуляция учитывает все нюансы сложного поведения гранулированных сред, которые могут быть не до конца описаны физическими законами в программном коде.

Ранее ученые нашли на Марсе лед близко к поверхности.