- в лабораторных условиях на Земле образцы внеземного вещества могут быть изучены гораздо лучше, чем это возможно на поверхности планеты или при дистанционных исследованиях; пока такой возможности у учёных не было (кроме изучения лунного грунта);
- с технической точки зрения, полёт к естественным спутникам Марса проще, чем к другим малым телам Солнечной системы. С них целесообразно начинать новую линию космических исследований – экспедиций к малым телам с целью доставки на Землю образцов их веществ;
- ранее в проекте "Фобос" (1988 – 1989) были решены многие технические вопросы полёта к спутникам Марса и получены новые научные данные о Фобосе. Таким образом, будет обеспечена преемственность решений;
- в последнее время вокруг исследований Марса сложилась широкая международная кооперация, включающая космические агентства и научные организации многих стран. Проект "Ф – Г" может стать важным самостоятельным российским элементом этой кооперации.
Основные задачи проекта "Ф – Г" сводятся к следующим:
- определить происхождение спутников Марса – Фобоса и Деймоса и их отношение к Марсу;
- решить, является ли Фобос захваченным астероидом или телом, имеющим "генетическую" связь с Марсом; полученные результаты могут быть использованы при исследовании спутниковых систем других планет;
- выяснить, каковы физические и химические характеристики спутников Марса, их внутреннее строение, особенности орбитального и собственного вращения;
- доставить образец реликтового (первичного) вещества на Землю.
С учётом сложности экспедиции и чтобы "не терять время", предполагается проведение научных экспериментов по исследованию Фобоса, Марса и межпланетного пространства на всех участках перелёта. Сюда должны войти:
- исследование атмосферы и поверхности Марса;
- исследование околопланетной среды в окрестностях Марса и Фобоса (пылевая и газовая составляющие);
- исследование взаимодействия солнечного ветра с телами Солнечной системы;
- технические исследования (поведение новых систем в длительном полёте).
Кроме того, после посадки на поверхности спутника останется долгоживущая станция с комплектом научной аппаратуры для проведения ряда исследований.
В состав бортовой научной аппаратуры АМС "Ф – Г" войдут панорамная ТВ-камера, гамма-спектрометр, нейтронный детектор, сейсмометр, температурный анализатор, фотометр пылевой среды, анализатор космической пыли, генератор доплеровских измерений и ряд других. Стартовая масса всего аппарата составит около 7250 кг, масса на момент выхода на гелиоцентрическую орбиту – 2370 кг. В качестве носителя предполагается использовать РН типа "Союз" или "Днепр".
Старт аппарата к Марсу планируется в декабре 2004 – июне 2005 года. Носитель выводит КА на опорную круговую орбиту ИСЗ, после чего аппарат разгоняется с использованием бортового ЖРД. Переход на начальную гелиоцентрическую орбиту осуществляется с помощью трёхимпульсного манёвра. После выработки топлива блок баков отделяется. Затем раскрываются панели солнечных батарей и включается электроракетная двигательная установка (ЭРДУ). Аппарат начнёт медленный доразгон на гелиоцентрическом участке траектории, чтобы достичь Марса, уравнять скорость со скоростью орбитального движения планеты и выйти в плоскость марсианского экватора. По первоначальным расчётам длительность перелёта к Марсу составляла порядка 800 суток (в этом случае перелётная траектория включает два активных участка). Однако оптимизация траектории не завершена, и в настоящее время считается, что перелёт может быть сокращён за счёт иной баллистической схемы до 450 – 500 суток.
Незадолго перед встречей с Марсом модуль ЭРДУ, выполнив свою задачу доразгона, отделяется. В перицентре пролётной траектории бортовой ЖРД выдаёт тормозной импульс, и аппарат выходит на эллиптическую орбиту искусственного спутника Марса (ИСМ). Далее с этой орбиты аппарат переходит на так называемую круговую орбиту наблюдения, плоскость которой лежит в плоскости марсианского экватора, на 300 км выше орбиты Фобоса. В течение трёх недель с этой орбиты будут выполнены навигационные наблюдения Фобоса (уточнение параметров его орбиты и орбиты самого аппарата). Какая-то часть времени будет отдана научным наблюдениям Фобоса и Марса.Наконец, начнётся последовательное сближение с Фобосом, методика которого, в принципе, уже рассчитана и частично отработана при подлёте советской АМС "Фобос-2" к Фобосу в январе – марте 1989 г.
Сближение с Фобосом включает два основных этапа:
- орбитальное сближение;
- непосредственное сближение.
На первом этапе КА выходит на квазисинхронную орбиту. Находясь на ней, аппарат в относительном движении обращается вокруг Фобоса с периодом, равным периоду обращения этого спутника вокруг Марса (Фобос всегда повёрнут к планете одной стороной).
Сближение и посадка на Фобос из-за малой силы гравитации на спутнике (менее 0,001 земной) представляет, по сути дела, операцию встречи и стыковки. В течение 1,5 – 2 часов аппарат в автономном режиме осуществит непосредственное сближение с Фобосом с использованием ДУ малой тяги. После выдачи последнего импульса скорость сближения КА со спутником составит около полуметра в секунду. В непосредственной близости от поверхности начнётся этап причаливания. С борта в сторону поверхности "выстреливаются" и заглубляются в грунте несколько "гарпунов", связанных с платформой аппарата гибкими тросиками. Далее КА с выключенными ДУ садится на поверхность. В момент касания срабатывают прижимные двигатели, а бортовые "лебёдки" выбирают глубину натяжения тросиков. Аппарат оказывается надёжно зафиксированным на поверхности.
Через некоторое время после посадки на аппарате приводится в действие грунтозаборное устройство. Взятые образцы грунта (реголита) массой около 170 г из устройства перегружаются в спускаемый аппарат (СА), входящий в состав взлётной ракеты (ВР). СА герметично закрывается, и грунтозаборное устройство отводится в сторону, чтобы не мешать старту ракеты с платформы.
Через 1 – 3 суток после посадки ВР должна стартовать с Фобоса на траекторию перелёта к Земле. После ухода от поверхности Фобоса на безопасное расстояние ВР разворачивается с помощью двигателей стабилизации на заданный угол; затем маршевый двигатель отрабатывает импульс для ухода возвращаемого аппарата на траекторию перелёта к Земле.
После старта на Фобосе останется орбитально-перелётный модуль (ОПМ) с научной аппаратурой, или так называемая долгоживущая станция. Сбор и передачу на Землю научных данных станция должна будет вести не менее трёх месяцев с момента посадки на Фобос.
Перелёт ракеты к Земле продлится около 280 дней. За это время она будет периодически выходить на связь с наземными станциями, сбрасывая телеметрию и принимая команды, и отрабатывать коррекции траектории двигателями малой тяги. За сутки до входа в атмосферу Земли будет проведена последняя коррекция, обеспечивающая попадание СА в заданный район на поверхности. За 15 минут до входа в атмосферу от ракеты отделится СА массой 12 кг.
Возвращение СА с образцами грунта на Землю произойдёт ориентировочно в мае – июне 2008 года.
б) ЕВРОПЕЙСКИЙ ПРОЕКТ MARSEXPRESS
MarsExpress с посадочным аппаратом Beagle 2 должен быть запущен с Байконура РН "Союз – Фрегат" в период 23 мая – 2 июня 2003 года. Ориентировочно 26 декабря 2003 г. зонд Beagle 2 должен выполнить посадку с подлётной траектории в районе 11° с.ш. и 270° з.д., а станция выйдет на орбиту спутника Марса. Стартовая масса орбитального аппарата 1190 кг, сухая масса с установленными приборами – 680 кг, масса Beagle 2 – 60 кг. Приборный комплекс состоит из камеры высокого разрешения HRSC, картирующего спектрометра OMEGA, фурье-спектрометра PFS, радара MARSIS для зондирования коры планеты до глубины в несколько километров, атмосферного спектрометра SPICAM и анализатора нейтральных атомов ASPERA. С помощью бортового радиопередатчика будет выполняться эксперимент по радиозондированию MaRS. Многие из этих экспериментов перенесены на MarsExpress с "Марса-96". В разработке проекта принимают участие 25 компаний из 15 стран Европы.
Mars Express должен проработать на орбите по крайней мере один марсианский год (до декабря 2005 г.), но топлива несёт на двойной срок. Программа работы Beagle 2 на поверхности рассчитана на 6 месяцев, дополнительная программа – до конца первого марсианского года (669 местных или 687 земных суток). Связь с Землёй будет вестись через ретранслятор на КА MarsExpress или MarsOdyssey.