달 먼지에 갇힌 NASA, 수년간 속아온 물리적 오류

이 발자국은 1969년 7월 인류가 달에 내딛은 첫 발자국 중 하나입니다. 아폴로 11호 임무 당시 미국 우주비행사 버즈 올드린이 이 발자국을 남겼습니다. 출처: NASA

수백만 달러짜리 외계 탐사선이 부드러운 모래나 자갈에 갇히면(2009년 화성 탐사선 스피릿이 그랬던 것처럼 ) 지구에 있는 엔지니어들이 가상의 견인차처럼 작업을 맡아 바퀴를 움직이거나 진로를 바꾸는 일련의 명령을 내려 섬세하고 시간이 많이 걸리는 작업을 거쳐 탐사선을 풀어내고 탐사 임무를 계속합니다.

스피릿이 영구적으로 갇힌 반면 , 미래에는 바로 이 땅에서 더 나은 지형 시험을 실시하면 이런 천체 위기를 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.

위스콘신-매디슨 대학교 기계공학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 지구에서 로버를 시험하는 방식에 결함이 있음을 발견했습니다. 이 오류는 로버가 지구 밖 임무에 투입되었을 때 어떻게 작동할지에 대한 지나치게 낙관적인 결론으로 이어집니다.

이러한 임무를 준비하는 데 중요한 요소는 로버가 부드러운 지형이나 바위가 많은 지역에 갇히지 않도록 낮은 중력 상태에서 지구 밖 표면을 어떻게 이동할 것인지 정확하게 이해하는 것입니다.

달의 중력은 지구보다 6배 약합니다. 수십 년 동안 로버를 테스트하는 연구자들은 실제 로버 질량의 6분의 1에 해당하는 시제품을 제작하여 이러한 중력 차이를 고려해 왔습니다. 그들은 이 가벼운 로버들을 사막에서 테스트하며, 모래 위를 어떻게 움직이는지 관찰하여 달에서의 성능에 대한 통찰력을 얻습니다.

그러나 이러한 표준적인 테스트 방식은 겉보기에 중요하지 않은 세부 사항, 즉 사막 모래에 대한 지구 중력의 영향을 간과한 것으로 밝혀졌습니다.

위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스 기계공학과 교수인 댄 네그루트와 그의 동료들은 시뮬레이션을 통해 지구의 중력이 화성이나 달의 중력보다 모래를 훨씬 더 강하게 끌어당긴다는 것을 밝혀냈습니다. 지구의 모래는 더 단단하고 지지력이 강하기 때문에 차량 바퀴 아래에서 모래가 움직일 가능성이 줄어듭니다. 그러나 달 표면은 "더 부드러워" 더 쉽게 움직입니다. 즉, 로버의 마찰력이 약해져 기동성이 저하될 수 있습니다.

"돌이켜보면, 아이디어는 간단합니다. 달에서 로버가 어떤 성능을 보일지 더 잘 파악하려면 로버에 작용하는 중력뿐만 아니라 모래에 미치는 중력의 영향까지 고려해야 합니다."라고 네그루트는 말합니다. "이번 연구 결과는 물리 기반 시뮬레이션을 사용하여 입상 토양에서의 로버 이동성을 분석하는 것의 중요성을 강조합니다."

이 팀은 최근 Journal of Field Robotics 에 연구 결과를 자세히 발표했습니다.

연구진의 이번 발견은 NASA가 자금을 지원하여 달 탐사를 위해 계획되었던 VIPER 로버를 시뮬레이션하는 프로젝트에서 비롯되었습니다. 연구팀은 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스에서 이탈리아 과학자들과 공동으로 개발한 오픈소스 물리 시뮬레이션 엔진인 프로젝트 크로노(Project Chrono)를 활용했습니다. 이 소프트웨어는 연구자들이 "물렁물렁한" 모래나 토양 표면에서 작동하는 실물 크기 로버와 같은 복잡한 기계 시스템을 빠르고 정확하게 모델링할 수 있도록 지원합니다.

VIPER 로버를 시뮬레이션하는 동안, 그들은 지구 기반 테스트 결과와 달에서의 로버 이동 시뮬레이션 결과 사이에 불일치를 발견했습니다. 크로노 시뮬레이션을 더 깊이 파고들자 테스트의 결함이 드러났습니다.

이 연구의 이점은 NASA와 우주 여행에만 국한되지 않습니다. 지구에서의 응용 분야에서 크로노는 정밀 기계식 시계부터 오프로드 환경에서 작동하는 미 육군 트럭과 전차에 이르기까지 수백 개의 기관에서 복잡한 기계 시스템을 더 잘 이해하기 위해 사용되었습니다.

"우리 연구가 여러 현실적인 엔지니어링 과제 해결에 큰 도움이 된다는 점이 보람 있습니다."라고 네그루트는 말합니다. "저는 우리가 이룬 성과에 자부심을 느낍니다. 대학 연구실에서 NASA에서 사용하는 산업용 소프트웨어를 개발하는 것은 매우 어려운 일입니다."

Chrono는 전 세계에서 제한 없이 무료로 공개적으로 사용할 수 있지만, UW-Madison 팀은 소프트웨어 개발과 유지 관리, 사용자 지원 제공을 위해 지속적으로 많은 노력을 기울이고 있습니다.

"학계에서 이 정도 수준의 소프트웨어 제품을 만드는 것은 매우 드문 일입니다."라고 네그루트는 말합니다. "NASA와 행성 탐사와 관련된 특정 유형의 애플리케이션에서는 저희 시뮬레이터가 다른 도구로는 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있는데, 여기에는 거대 기술 기업의 시뮬레이터도 포함됩니다. 정말 흥미로운 일입니다."

Chrono는 오픈 소스이기 때문에 Negrut과 그의 팀은 소프트웨어의 관련성을 유지하기 위해 끊임없이 혁신하고 개선하는 데 주력하고 있습니다.

"저희의 모든 아이디어는 공개되어 있어서 경쟁사들이 빠르게 채택할 수 있습니다. 바로 이것이 저희가 계속 전진할 수 있는 원동력입니다."라고 그는 말합니다. "지난 10년 동안 미국 국립과학재단(NSF), 미 육군연구소, 그리고 NASA의 지원을 받는 행운을 누렸습니다. 저희 소프트웨어 사용료를 무료로 제공하기 때문에 이러한 지원은 정말 큰 도움이 되었습니다."

이 논문의 공동 저자로는 상하이 교통대학의 웨이 후, 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스의 페이 리, NASA의 아르노 로그와 알렉산더 셰펠만, ProtoInnovations, LLC의 사무엘 챈들러, MIT의 켄 카므린이 있습니다.

본 연구는 NASA STTR(80NSSC20C0252), 미국 국립과학재단(OAC2209791), 미국 육군 연구소(W911NF1910431 및 W911NF1810476) 의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250726234412.htm