NASA JPL 使用 Working Model 2D 与 3D 进行小行星任务漫游车运动仿真

NASA Jet Propulsion Laboratory（JPL）正在使用 Working Model, Inc. 的运动仿真软件，开发、测试并集成一台机器人漫游车。该漫游车是与日本 Institute of Space and Astronautical Science（ISAS）合作的小行星任务的一部分。

小行星的低重力场为该任务带来了特定挑战。JPL 正在使用运动仿真软件，在这一复杂机器人机构的初始设计阶段，对漫游车的运动进行试验。

任务背景

该任务名为 MUSES-C，计划于 2002 年 1 月从日本 Kagoshima Space Center 搭载日本 M-5 航天器发射。任务计划于 2003 年 9 月在小行星 Nereus 上着陆，并于 2006 年返回地球。任务目标是从小行星表面采集样本，并带回地球进行研究。

Nereus 是一颗近地小行星，直径约 1 英里，于 1982 年被发现。在接近太阳的位置，其轨道会进入地球轨道内侧。科学家希望研究 Nereus，因为它的组成、旋转以及昼夜时长仍然未知。

NASA 总部 Solar System Exploration 主任 Dr. Jurgen Rahe 表示，如果任务按计划完成，将直接了解参与形成 40 多亿年前岩质内行星的材料组成。NASA 和 ISAS 将在任务支持和科学分析等多个方面开展合作。

漫游车

NASA JPL 将设计并建造该漫游车，用于对小行星表面进行独立研究。JPL 隶属于 California Institute of Technology，同时也是 NASA 的现场机构，是美国太阳系机器人探索相关机构之一。

JPL 制造航天器，包括机器人手臂和漫游车。这些设备已经访问过除 Pluto 之外的已知行星。除 NASA 工作外，JPL 还为其他多个联邦机构执行任务。

该漫游车尺寸较小。其物理尺寸为 6 英寸 × 6 英寸 × 4 英寸，质量小于 500 克（2.2 磅）。这台四轮漫游车将携带两台科学仪器：一台可见光谱成像相机和一台近红外点光谱仪。相机会通过照片记录小行星的物理形态，光谱仪将研究其表面属性。

飞行过程中，漫游车将作为 ISAS 航天器的附件搭载，并在 Nereus 小行星采样事件之前“跳离”。漫游车的运动将由太阳能提供动力，ISAS 航天器将协助通信，将漫游车数据传回地球。

该任务还将开展 NASA JPL 的另一项工程实践。JPL Mechanical Engineering Division 的 Science and Technology Development Section 成员 Dr. Eric T. Baumgartner 表示，希望该任务能够从 Nereus 返回可供参考的数据，这些数据可为地球上的工程师和科学家提供科学参考。他参与了该漫游车设计与开发相关工作。

任务挑战

由于存在许多不熟悉或未知因素，太空任务面临多方面挑战。在该案例中，小行星极低的重力场将对漫游车任务产生较大影响。

Dr. Baumgartner 表示，Mars 的重力约为 Earth 的三分之一，Moon 的重力约为 Earth 的八分之一，而 Nereus 的重力为 0.00002，这使漫游车运动具有较高的不确定性。

这一因素对漫游车具有特殊影响，因为漫游车的目的在于探索小行星表面。如果缺少合理水平的重力，漫游车车轮将难以获得牵引力，并可能直接飞离小行星。

使用 Working Model 进行漫游车动力学分析

Dr. Baumgartner 一直使用 Working Model 2D 和 Working Model 3D，即 Working Model, Inc. 的软件，用于可视化漫游车在小行星表面上的机械表现。Working Model 是一种运动仿真软件，使机械工程师能够在不构建物理原型的情况下进行设计研究。

Dr. Baumgartner 起初使用 Working Model 2D version 4.0 分析漫游车动力学。由此，他观察到，小行星极低水平的重力仍可为漫游车车轮提供牵引力。他指出，Working Model 2D 使团队能够让漫游车车轮转动起来。

根据 Dr. Baumgartner 的说法，使用 Working Model 2D 有助于确定漫游车能够执行哪些运动。这引出了下一步问题，即研究如何对车辆进行指令控制。

在下一阶段，Dr. Baumgartner 将使用 Working Model 3D version 2.0 开发漫游车的导航策略。他表示，不仅需要在二维环境中进行试验，也需要在三维环境中进行试验，以更好理解漫游车运动的范围。

无论是在仿真中，还是在 Nereus 上，指导漫游车运动都将有助于漫游车对小行星表面开展研究。Dr. Baumgartner 表示，团队期望 Working Model 3D 能够通过在仿真环境中对漫游车运动进行测试，用于处理不可预测的动力学问题。

虽然距离发射还有几年时间，Dr. Baumgartner 仍然认可 Working Model 在可视化漫游车移动能力方面的作用。同时，Working Model 2D 和 3D 将继续作为工具，用于开发适用于小行星任务的漫游车。

Dr. Baumgartner 总结道，如果任务按计划完成，JPL 将证明把漫游车放置到小行星上不仅可行，也具有科学价值。