اشتباه ناسا در درک فیزیک سیاره‌ها، عامل شکست ماموریت کاوشگران سطح‌نورد است

با وجود موفقیت‌های متعدد در فرود فضاپیماها درطول تاریخ، کاوشگرانی که برای فرود روی سطح ماه ارسال شده‌اند، هنوز هم اغلب در لحظات پایانی دچار شکست می‌شوند. درهمین‌حال، مریخ‌نورد اسپیریت نیز که توسط ناسا فرستاده شده بود، به‌دلیل گرفتارشدن درون شن‌های نرم مریخ، توان حرکت خود را از دست داد.

اکنون مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد که تمام شکست‌های فضاپیماهای سطح‌نشین و سطح‌نورد، ممکن است علت مشترکی وجود داشته باشد: ما فیزیک سطوح دیگر اجرام منظومه شمسی و پیچیدگی‌های آنها را به‌درستی درک نکرده‌ایم.

وقتی مأموریت‌هایی برای فرود روی ماه یا سیاره‌ای دیگر طراحی می‌شود، آژانس‌های فضایی معمولاً به دنبال محیط‌های مشابه روی زمین برای انجام آزمایش هستند. به‌عنوان مثال، مریخ‌نوردهای ناسا در محوطه‌ای مخصوص به نام «مارس یارد» در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا (JPL) که سطوح مریخی را شبیه‌سازی می‌کند، مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.

برایان مارتین، مدیر نرم‌افزار پرواز و آزمایشگاه‌های JPL در مورد یکی از آزمایش‌ها می‌گوید: «آیا سنگ‌ها با اندازه و اشکال مختلف در میدان دید، به موانع تبدیل می‌شوند یا خیر؟»

مارتین می‌افزاید: «ما بسیاری از این موارد را آزمایش می‌کنیم تا بفهمیم که باید از چه چیزهایی اجتناب کنیم. آنچه در اینجا روی زمین با اطمینان پشت سر گذاشته‌ایم، به رانندگان مریخ‌نورد کمک کرده تا مسیرهای خود را روی مریخ برنامه‌ریزی کنند. ما آزمایش‌های زیادی روی زمین انجام داده‌ایم و به آن اطمینان داریم. این روش کار می‌کند.»

پژوهشگران در مقاله می‌نویسند: «برای مثال، آزمایش مریخ‌نورد کیوراسیتی را در نظر بگیرید که جرم آن از ۹۰۷ کیلوگرم به ۳۴۰ کیلوگرم کاهش یافته بود تا وزنش معادل آن چیزی بشود که در مریخ احساس می‌شود.»

«اما به دلیل کشش گرانشی بالاتر [سیاره‌ی ما] که روی هر ذره خاک در بیابان موهاوی کالیفرنیا اعمال می‌شود، زمین مقاومت بیشتری نسبت به مریخ نشان می‌دهد و می‌تواند تنش برشی بالاتری را بدون شکست تحمل کند؛ اتفاقی که به‌طرز موثر ارزیابی بیش‌ازحد خوش‌بینانه‌ای از حرکت‌پذیری فراهم می‌کند. درنتیجه، کاهش جرم مریخ‌نورد به تنهایی کافی نیست، مگر اینکه خاک تغییر کند تا نیروی گرانشی پایین‌تر روی سیاره، ماه یا سیارک هدف را جبران کند.»

به طور خلاصه، آژانس‌های فضایی از جمله ناسا و سازمان فضایی چین بیشتر روی تأثیر گرانش کمتر روی سطح‌نوردها تمرکز کرده‌اند و تأثیر گرانش پایین‌تر بر خاک، گرد و غبار و شن اجرام منظومه شمسی را نادیده گرفته‌اند.

تیم پژوهشی در حین کار روی مأموریت وایپر ناسا که اکنون لغو شده است، از یک شبیه‌ساز فیزیکی متن‌باز به نام Project Chrono که در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون توسعه یافته، استفاده کرد. پژوهشگران دریافتند که بین شبیه‌سازی وایپر روی خاک نرم ماه و آزمایش‌های ناسا روی زمین، اختلاف زیادی وجود دارد.

دان نِگرات، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه ویسکانسین-مدیسون، در بیانیه‌ای گفت: «در نگاه به گذشته، ایده ساده است: ما باید نه تنها نیروی گرانش روی سطح‌نورد، بلکه تأثیر گرانش روی شن را نیز در نظر بگیریم تا تصویر بهتری از عملکرد کاوشگر روی ماه داشته باشیم. یافته‌های ما بر ارزش استفاده از شبیه‌سازی مبتنی بر فیزیک برای تحلیل حرکت‌پذیری سطح‌نورد روی خاک دانه‌ای را تأکید می‌کند.»

با بررسی بیشتر، تیم دریافت که آزمایش‌های تک‌چرخ ممکن است نتایج مطمئن‌تری نسبت به آزمایش‌های کامل سطح‌نورد ارائه دهند و کاهش جرم در آزمایش‌های کامل کاوشگر نیز ممکن است غیرضروری باشد.

تیم در مقاله می‌نویسد: «نتایج ما نشان می‌دهد که نیازی به حفظ هندسه سطح‌نورد و در عین حال کاهش جرم آن نبود. در واقع، خودرو استاندارد همان منحنی لغزش در برابر شیب را روی ماه و زمین تولید کرد.» پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که مأموریت‌های آینده باید «به‌شدت بر مدل‌های ترامکانیک مبتنی بر فیزیک» برای طراحی سطح‌نوردها تکیه کنند.

نگرات اضافه کرد: «تولید یک محصول نرم‌افزاری در این سطح در محیط دانشگاهی بسیار غیرمعمول است. انواع خاصی از کاربردهای مرتبط با ناسا و اکتشافات سیاره‌ای وجود دارد و شبیه‌ساز ما می‌تواند مشکلاتی را حل کند که هیچ ابزار دیگری، از جمله شبیه‌سازهای شرکت‌های بزرگ فناوری، قادر به حلشان نیست و این موضوع هیجان‌انگیز است.»

مطالعه در نشریه Journal of Field Robotics منتشر شده است.