Марсианская одиссея 2020

В конце 1980-х годов несколько объединений астроэнтузиастов предложили проект первой в истории международной космической регаты. Ее план предусматривал отправку к Марсу группы аппаратов, оснащенных солнечными парусами. Состязание собирались приурочить к отмечавшемуся в 1992 г. пятисотлетнему юбилею исторического плавания Христофора Колумба, итогом которого стало открытие Америки.

Идея регаты вызвала определенный резонанс. На первых порах заинтересованность в состязании выразили ряд стран, в том числе США и СССР. Но, к сожалению, из-за множества технических и финансовых сложностей проект в итоге так и не был реализован.

Три десятилетия спустя мы получим возможность увидеть нечто, напоминающее несостоявшуюся «марсианскую регату». Летом 2020 г. к Красной планете отправится настоящая международная флотилия, которая будет состоять из четырех автоматических аппаратов, созданных специалистами космических агентств США, Европы, России, Китая и ОАЭ.

Разумеется, в отличие от оставшихся на бумаге «космических парусников», эти миссии не соревнуются между собой в скорости полета. Но в какой-то степени происходящее все же можно назвать гонкой. Многие из участников этого своеобразного состязания попытаются продемонстрировать свои технические возможности и амбиции, запустив собственный аппарат к Марсу раньше конкурентов.

Стартовое окно 2020 г.

Прежде чем начать разговор о миссиях, которые отправятся к Марсу в 2020 г., стоит объяснить, чем вызвано предстоящее «марсианское столпотворение». Фантастические фильмы и компьютерные игры давно приучили нас к тому, что полет к другим планетам не представляет особых проблем – достаточно просто ввести нужные координаты в бортовой компьютер космолета и отправиться в путь.

В реальности все намного сложнее. Научные задачи, возлагаемые на космическую миссию, определяются массой полезной нагрузки (приборов), которая может быть доставлена на поверхность планеты (или орбиту вокруг нее). Эта масса, в свою очередь, зависит от мощности ракеты-носителя и выбранной схемы полета. Наиболее энергетически эффективная траектория перелета к другому небесному телу называется гомановской – по имени впервые предложившего ее немецкого инженера Вальтера Гоманна (Walter Hohmann). В идеале она используется для перехода аппарата между двумя круговыми орбитами, лежащими в одной плоскости. Такая траектория требует всего двух импульсов ракетного двигателя: первый обеспечивает переход на нее, второй необходим, чтобы снизить скорость относительно целевого небесного тела для выхода на орбиту вокруг него.

Гомановская траектория дает возможность добраться до цели с минимальными затратами топлива, что позволяет максимизировать полезную нагрузку. Но ее использование возможно лишь при подходящем взаимном расположении планет. Период времени, когда оно наступает, называют «стартовым окном». В случае с Марсом подобное окно «открывается» каждые 26 месяцев. Именно эта цифра заложена в графики строительства марсианских аппаратов и определяет сроки их запусков. Какие же космические агентства собираются воспользоваться следующим стартовым окном, которое откроется летом 2020 г.?

Mars 2020: сборщик грунта и первый марсианский вертолет

Самой сложной и дорогостоящей из новых марсианских миссий станет американская Mars 2020. Ее общий бюджет составляет около 2,5 млрд долларов. Она является продолжением программ Mars Exploration Rover и Mars Science Laboratory, в ходе которых на соседнюю планету были доставлены роверы Spirit, Opportunity и Curiosity.

Mars 2020 будет запущен в июле 2020 г. при помощи ракеты Atlas V. На поверхность Красной планеты должен прибыть ровер следующего поколения. Его основной целью станут астробиологические исследования и поиск следов прошлой обитаемости Марса.

Для выполнения поставленных задач марсоход оснастят весьма внушительным набором научных инструментов: камерами высокого разрешения, спектрометрами, прибором для анализа химического и минералогического состава грунта, погодными датчиками, георадаром, а также экспериментальным оборудованием, которое будет добывать кислород из марсианской атмосферы.

Mars 2020 будет получать энергию от радиоизотопного термоэлектрогенератора. Это позволит ему избежать повторения судьбы работавшего на солнечных батареях марсохода Opportunity, который не пережил прошлогоднюю марсианскую пылевую бурю. Общий вес ровера составит 1050 кг. Он станет самым тяжелым грузом, когда-либо совершившим мягкую посадку на поверхность Красной планеты. Для спуска марсохода NASA применит схему «воздушного крана», уже успешно отработанную в ходе миссии Curiosity.

Посадка марсохода запланирована на февраль 2021 г. Предположительно она произойдет в 49-километровом кратере Езеро (Jezero), расположенном на западной окраине Равнины Исиды (Isidis Pianitia). В далеком прошлом на его территории располагалась речная дельта. Анализ собранных орбитальными аппаратами данных говорит о том, что еще 3,6 млрд лет назад в этом регионе могли протекать потоки воды. Ученые надеются, что анализ многочисленных осадочных отложений позволит дать окончательный ответ на вопрос о том, как долго на Марсе существовали условия, пригодные для возникновения и развития жизни.

Стоит отметить, что у марсохода Mars 2020 пока нет собственного названия. Скорее всего, NASA выберет его в ходе конкурса. Вместе с ровером на Красную планету также прибудет небольшой дрон-вертолет – технологический демонстратор, призванный показать преимущества проведения исследований при помощи летательных аппаратов. 1.8-килограммовый коптер оснащен парой соосных винтов, вращающихся со скоростью 3000 оборотов в минуту. Это почти на порядок больше, чем скорость вращения винтов земных вертолетов: только так дрону удастся «опереться» на разреженную марсианскую атмосферу. На одном заряде аккумулятора он будет находиться в полете на протяжении 90-120 секунд. Максимальное расстояние, которое аппарат потенциально сможет преодолеть за это время, примерно равно 600 м, наибольшая достижимая высота – до 400 м. Вертолет оборудуют двумя камерами – навигационной и высокого разрешения. Перезарядку аккумуляторов собираются осуществлять при помощи солнечных батарей.

Помимо астробиологических исследований и испытаний вертолета, на миссию Mars 2020 возложена еще одна достаточно амбициозная задача. Ровер будет собирать наиболее интересные образцы марсианского грунта и перегружать их в специальные контейнеры. С этой целью на него установят 42 капсулы – 31 основную и 11 резервных. В дальнейшем они могут быть доставлены на Землю аппаратом MSR (Mars Sample Return Mission), проект которого в настоящее время прорабатывается американскими учеными.

Концепция MSR выглядит следующим образом. К Красной планете будут запущены два космических аппарата. Первый доставит на ее поверхность взлетный модуль MAV (Mars Ascent Vehicle) и ровер, который после посадки подъедет к зонду Mars 2020, заберет с него капсулы с образцами марсианского грунта и затем перегрузит их на MAV. Он, в свою очередь, стартует с Марса и выйдет на ареоцентрическую орбиту, а далее состыкуется со вторым космическим аппаратом, оснащенным возвращаемым блоком, и «передаст» ему собранные образцы. После этого второй аппарат — уже с марсианским грунтом – ляжет на обратный курс к Земле.

В настоящее время NASA ведет переговоры с ESA о совместной реализации этого проекта. В случае получения необходимого финансирования MSR может стартовать в 2026-2028 гг.

В поисках следов внеземной жизни

Второй марсианской миссией 2020 г. станет ExoMars. Ее основной целью является поиск доказательств существования жизни на Марсе в прошлом и настоящем.

Реализация программы ExoMars началась еще в прошлом десятилетии. Изначально она задумывалась как совместная европейско-американская миссия. Однако в 2012 г. по финансовым соображениям NASA вышла из проекта. В дальнейшем место партнера Европейского космического агентства занял «Роскосмос».

Программа ExoMars разбита на две части. В 2016 г. в рамках ее первого этапа к Красной планете был запущен орбитальный аппарат TGO и демонстрационный посадочный модуль Schiaparelli. Первый успешно вышел на ареоцентрическую орбиту и в прошлом году приступил к выполнению запланированной научной программы. Второй, к сожалению, разбился во время посадки из-за сбоя в работе инерциального навигационного блока.

Второй этап миссии ExoMars предполагает высадку на Марс сконструированной российским «НПО им. Лавочкина» стационарной платформы и 270-килограммового марсохода, созданного специалистами британского подразделения Airbus Defence and Space. Изначально их запуск планировался на 2018 г., но впоследствии его перенесли на июль 2020 г. Аппарат будет запущен с космодрома Байконур при помощи ракеты «Протон» и прибудет к цели в марте 2021 г.

Формально место высадки ровера еще не утверждено руководством ESA и «Роскосмоса». Однако уже сообщалось, что специалисты остановили свой выбор на плато Оксия (Oxia Planum). Оно расположено в северном полушарии Марса неподалеку от экватора. Спутниковые фотографии указывают на присутствие в этом районе многочисленных русел пересохших рек. Поверхность плато богата филлосиликатами – сформировавшимися в присутствии воды глинистыми минералами, содержащими железо и магний. Кроме того, в этом регионе найдены следы вулканической активности. В некоторых местах лава и пепел укрыли осадочные отложения водной эпохи, законсервировав их и защитив от воздействия космической радиации и эрозии.

После выгрузки марсохода посадочная платформа ExoMars продолжит работу в стационарном режиме. Она будет оснащена комплектом из 11 научных инструментов и камер, позволяющим вести мониторинг атмосферы, климата и радиационной обстановки, изучать распределение льда в верхнем слое грунта, а также исследовать внутреннее строение Красной планеты.

Марсоход, в свою очередь, займется поиском биомаркеров — химических соединений, которые могли бы свидетельствовать о наличии жизни (хотя бы в отдаленном прошлом). Для этого аппарат оснастят анализатором органических молекул, инструментами для определения минералогического состава марсианского грунта и выявления подповерхностной воды. Благодаря установленному буру он сможет добывать образцы вещества с глубины до 2 м.

Недавно ESA объявило о том, что ExoMars получил официальное название. Изначально аппарат носил имя «Пастер» (Pasteur), но в дальнейшем это название закрепили за его агробиологической лабораторией. Летом 2018 г. был объявлен конкурс на новое имя для марсохода. На него поступило свыше 36 тыс. заявок от граждан европейских государств. После долгих дискуссий жюри остановило свой выбор на имени английского биофизика и ученого-рентгенографа Розалинд Франклин (Rosalind Franklin), которая в 1950-е годы занималась изучением структуры ДНК.

Китайские амбиции

В 2020 г. сравнительно небольшой клуб стран, отправивших собственные миссии для исследований Красной планеты, может пополниться сразу двумя новыми участниками. Одним из новичков станет Китай. Формально в 2011 г. Поднебесная уже предприняла попытку запустить свой зонд к Марсу, однако его сложно назвать полностью самостоятельным проектом: китайский микроспутник «Инхо-1» должен был отправиться в космос в качестве попутной нагрузки с российским аппаратом «Фобос-Грунт». Но из-за отказа разгонного блока он так и не покинул околоземную орбиту, а позже сгорел в земной атмосфере.

С тех пор Китай осуществил значительный технологический рывок. Сейчас он всерьез претендует на то, чтобы уже в ближайшем будущем выйти на лидирующие позиции в мировой космонавтике. В этой ситуации успешная марсианская миссия станет одним из наиболее наглядных способов продемонстрировать всему миру возросшую научную и техническую мощь страны.

Неудивительно, что Китайское национальное космическое управление (CNSA) возложило на свои плечи весьма амбициозную задачу. В рамках первой самостоятельной марсианской миссии КНР не просто выведет аппарат на орбиту вокруг Красной планеты, но и высадит на ее поверхность марсоход. Еще ни одной стране не удавалось одновременно осуществить обе эти задачи с первого раза.

Не исключено, что на решимость Китая повлияли достижения его географического соседа. В 2013 г. Индия с первой же попытки успешно отправила к Марсу зонд «Мангальян». По мнению многих экспертов, задетая национальная гордость и стремление продемонстрировать техническое превосходство сыграли заметную роль в намерении китайских специалистов реализовать столь сложный проект без запуска более простых миссий-прекурсоров.

На данный момент Поднебесная уже проделала значительную часть подготовительной работы, необходимой для осуществления марсианской миссии. За последние несколько лет китайские инженеры построили и успешно протестировали множество компонентов автоматического разведчика – от системы автономной навигации спускаемого аппарата до сверхзвукового парашюта, который должен будет замедлить его спуск.

CNSA также начала эксплуатацию новой тяжелой ракеты «Чанчжэн-5» («Великий поход 5»). Именно она должна будет отправить китайский зонд к Марсу. Но стоит заметить, что второй запуск этой ракеты в 2017 г. завершился аварией, оказавшей серьезное влияние на многие космические проекты Поднебесной. В 2019 г. Китай планирует испытать доработанный вариант «Чанчжэн-5». Его успешный полет должен будет снять последние сомнения по поводу даты начала марсианской миссии.

Предполагается, что китайцы отправят к Марсу 13 научных инструментов. 7 из них установят на орбитальном зонде, еще 6 – на марсоходе. Орбитер собираются оборудовать камерой высокого разрешения (аналогичной камере HiRISE, установленной на американском аппарате MRO), а также радаром, магнитометром, несколькими спектрометрами и анализатором заряженных частиц. На 240-килограммовом ровере установят несколько камер, георадар, магнитометр, метеостанцию и лазерный спектрометр – его аналог уже работает на борту Curiosity.

В качестве возможного места посадки марсохода китайские специалисты рассматривают два основных участка: Золотую равнину (Chryse Planitia) и равнину Исиды. Обе они представляют собой гигантские низменности, образовавшиеся вследствие столкновения Марса с крупными астероидами. Поскольку поверхность равнин лежит на 2-3 км ниже среднего уровня марсианской поверхности, там более высокая плотность атмосферы, что значительно облегчит задачу мягкой посадки.

Золотая равнина расположена в субэкваториальной части западного полушария Красной планеты. По мнению ученых, благодаря некоторым особенностям рельефа она напоминает лунные моря. Снимки орбитальных аппаратов свидетельствую о том, что в прошлом по ней могли протекать потоки воды. Ранее эта равнина уже служила местом высадки миссий Viking 1 и Mars Pathfinder (с марсоходом Sojourner).

Равнина Исиды также демонстрирует многочисленные следы, оставленные потоками воды. По мнению исследователей, в далеком прошлом на ее территории мог располагаться крупный водоем (море). В декабре 2003 г. европейский спускаемый аппарат Beagle 2 совершил посадку на восточной окраине равнины, но так и не вышел на связь из-за неполного раскрытия солнечных батарей’

Арабская «Надежда»

Вторым дебютантом «марсианского клуба» должны стать Объединенные Арабские Эмираты. В 2020 г. эта страна планирует отправить к Красной планете аппарат «Ал-Амаль», что в переводе означает «Надежда». Его запуск будет приурочен к открытию в Дубае 71-го ежегодного Международного конгресса астронавтики, прибытие к Марсу – к 50-летней годовщине обретения ОАЭ независимости.

Космическая программа ОАЭ очень молода. Страна обзавелась собственным космическим агентством лишь в 2014 г. Власти Эмиратов объясняют свое решение стремлением диверсифицировать экономику, которая пока практически полностью зависит от экспорта нефти. Реализация марсианского и других подобных проектов поможет «вырастить» профильных специалистов и создать собственную космическую индустрию.

Соображения престижа также сыграли заметную роль в инициации программы. В случае успеха «Надежды» ОАЭ станут первым в истории арабским государством, запустившим межпланетную миссию. Не исключено, что под влиянием Эмиратов и другие «нефтяные монархии» Персидского залива начнут реализацию космических проектов.

На данный момент власти ОАЭ уже вложили свыше 5 млрд долларов в национальную программу освоения космоса. Но, разумеется, сами по себе деньги не могут сделать их космической державой. Пока у Эмиратов нет ни собственной ракеты-носителя, ни пригодной для ее запуска площадки. Поэтому стране приходится делать ставку на максимальное привлечение зарубежных партнеров. Так, техническими консультантами проекта выступают американские ученые из Университета Колорадо и Аризонского университета. Многие из них принимали участие в разработке марсианских зондов MRO и MAVEN. Что касается стартовой площадки, то ею станет японский космодром Танэгасима.

«Надежда» должна быть запущена к Марсу при помощи японской ракеты H-IIА. Масса первого арабского межпланетного зонда составит 1500 кг с учетом топлива. Он будет работать на ареоцентрической орбите. Его основная задача – изучение свойств марсианской атмосферы и климата планеты. Аппарат получит комплект из трех научных инструментов, сконструированных американскими специалистами – камеру EXI, ультрафиолетовый спектрометр EMUS и инфракрасный спектрометр EMIRS.

Согласно заявлениям Космического агентства ОАЭ, все собранные «Надеждой» научные данные будут выложены в открытый доступ без каких-либо ограничений. Номинальная продолжительность миссии должна составить два года.

Успех миссии «Ал-Амаль» заложит фундамент для дальнейших весьма амбициозных космических планов ОАЭ. В 2017 г. власти страны объявили о глобальной цели через сто лет построить полноценный город на Марсе. На данный момент это намерение звучит как откровенная фантастика. С другой стороны, всего 40 лет назад мысль о том, что крохотная рыбацкая деревушка Дубай превратится в один из самых высокотехнологичных мегаполисов планеты, по всей видимости, воспринималась бы аналогичным образом. Так что, возможно, однажды космические надежды ОАЭ действительно претворятся в жизнь…

Марсианские планы Индии и Японии

Не все космические державы успевают подготовить марсианские миссии к следующему стартовому окну. Например, Индийская организация космических исследований (ISRO) также планировала запустить к Марсу аппарат «Мангальян-2» в 2020 г. Но из-за различных задержек его старт был перенесен на 2022 г.

С технической точки зрения «Мангальян-2» намного сложнее и амбициознее своего предшественника. В этот раз индийские специалисты хотят отправить к Красной планете не просто орбитальный аппарат, но и – по примеру своего восточного соседа — высадить на ее поверхность ровер. Запуск собираются произвести с использованием недавно введенного в строй носителя GSLV III. В настоящее время Индия ведет переговоры с несколькими зарубежными организациями, которые могут помочь с реализацией проекта. Уже подписано соглашение с Национальным центром космических исследований Франции (CNES). Также в ISRO рассчитывают на поддержку со стороны NASA.

Собственные планы по изучению Марса имеются и у Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA. Уже мало кто помнит, но 20 лет назад Страна Восходящего Солнца стала третьей в истории державой, запустившей свой аппарат к этой планете. К сожалению, зонд «Нодзоми» вышел из строя во время полета, так и не достигнув цели.

Теперь Япония решила сделать ставку на изучение крупнейшего марсианского спутника Фобоса. В 2024 г. JAXA собирается отправить к нему аппарат ММХ (Martian Moons exploration), который должен прибыть к этому небесному телу в марте 2025 г. и осуществить программу комплексных исследований. В частности, ММХ сбросит на его поверхность микроровер, аналогичный доставленному зондом «Хаябуса-2» на астероид Рюгу (162173 Ryugu) в прошлом году.8 Аппарат будет построен JAXA в сотрудничестве с CNES, а также Германским центром авиации и космонавтики (DLR).

Кроме того, ММХ возьмет образец грунта Фобоса, который за тем будет доставлен на Землю. Его анализ поможет подтвердить гипотезу о том, что марсианские спутники сформировались из вещества, примерно 4,5 млрд лет назад выброшенного с поверхности Марса в результате столкновения с крупным астероидом или протопланетой.

Планы по отправке аппарата к Фобосу с целью доставки пробеге фунта на Землю имеются и у «Роскосмоса». Но, учитывая неудачу предыдущей подобной миссии и текущую ситуацию с финансированием российской космической программы, даже при самом благоприятном сценарии этот проект может быть реализован не раньше второй половины следующего десятилетия.