В 2016 году в рамках международного проекта ExoMars к Марсу были запущены орбитальный аппарат Trace Gas Orbiter и посадочный зонд Sciaparelli. На 2022 год с космодрома Байконур запланирован запуск марсохода, который займётся исследованием марсианских пород и поиском следов древней жизни. На сайте Европейского космического агентства опубликованы новые подробности подготовки к старту космического корабля с марсоходом.
Программа ExoMars включает полёты двух космических аппаратов. Первый аппарат — орбитальная станция Trace Gas Orbiter (TGO), запущенная в 2016 году. Второй предназначен для доставки на Марс марсохода и стационарной платформы, его запуск теперь запланирован на сентябрь 2022 года (в пределах ближайшего благоприятного «окна запуска»), соответственно посадка ожидается в июне 2023 года. Сначала старт ракеты с марсоходом планировался на 2020 год, но его из-за неготовности некоторых модулей перенесли на следующее окно старта. Основная задача комплекса двух аппаратов — ответ на вопрос, могла ли на Марсе когда-либо существовать жизнь.
Нужно отметить, что до этого обе попытки Европейского космического агентства высадить на Марс стационарную научную станцию не удались, в отличие от более удачной истории посадок NASA. В 2003 году сразу после отделения от корабля-носителя пропал контакт с посадочным модулем Beagle 2. Второй неудачной попыткой был зонд Sciaparelli в 2016 году в рамках того же проекта ExoMars — платформа просто совершила свободное падение с большой высоты; правда, аппарат и рассматривался больше как экспериментальный посадочный модуль (Sciaparelli EDM — Entry, Descent and Landing Demonstration Module).
Балансировка в полёте
ExoMars-2022 включает четыре основных узла: марсоход «Розалинд Франклин» Европейского космического агентства (ESA), посадочная платформа «Казачок» (Роскосмос), которая будет играть роль стационарной научной станции на поверхности Марса, спускаемый модуль и модуль-носитель, который доставит их до орбиты Марса после запуска.
Во время полёта космический корабль с этими четырьмя составляющими будет вращаться со скоростью около 2,75 об/мин для стабилизации на траектории. Поэтому на Земле проводятся испытания динамической балансировки, их цель — проверить систему на наличие биений из-за неравномерно распределённой нагрузки, компенсация которых на ходу привела бы к дополнительному расходу топлива. Также балансировка важна для обеспечения равномерного вращения вокруг оси, чтобы облегчить постоянное наведение коммуникационной антенны в сторону Земли.
После отделения посадочного модуля, примерно за 30 минут перед входом в атмосферу Марса, аппарат продолжит вращаться с первоначальной скоростью, постепенно замедляясь под влиянием сопротивления атмосферы до раскрытия первого парашюта. Вращение прекратится, как только включатся двигатели посадочной платформы вблизи поверхности.
Было проведено два теста динамической балансировки: одно испытание для всего комплекса космического аппарата и второе — только для спускаемого модуля с марсоходом и платформой без несущего отсека (для отработки посадки на поверхность). Испытания на действительных лётных модулях проводились в Каннах, в стерильной лаборатории аэрокосмической компании Thales Alenia Space, и предполагали вращение со скоростью до 30 об/мин. Это соответствует центробежному ускорению до 2g на внешней поверхности теплозащитного экрана у спускаемого аппарата.
После окончания испытаний в Каннах аппарат в середине марта возвращается на космодром компании Thales Alenia Space в Турине для дальнейших функциональных испытаний.
Научные инструменты: репетиция на макете
В Центре оперативного управления марсоходом (ROOC, Rover Operations Control Centre) в Турине тем временем завершился этап испытаний, в которых участвовала копия марсохода — наземная испытательная модель. Реплика марсохода находилась в стерильном помещении и выполняла цепочки команд из центра управления, имитирующие необходимые действия на поверхности Марса.
Одним из заданий было испытание специально разработанного для проекта бура марсохода. В ходе марсианской программы впервые предполагается бурение и извлечение образцов почвы с глубины до двух метров. На такой глубине возможные биомаркеры (если они там есть) могут находиться в сохранности, не подвергаясь жёсткому излучению на поверхности. Основная задача буровых работ — доставить образцы в лабораторию на аппарате.
Вскоре макет марсохода перейдёт к натурным испытаниям в зоне имитации марсианского рельефа для проверки команд управления перемещением. Будут отрабатываться различные ситуации, связанные с передвижением марсохода на местности и выполнением его функциональных задач.
Как не уронить марсоход на парашюте?
При посадке Perseverance использовалось техническое решение с одним парашютом и «небесным краном» — платформой с собственными реактивными двигателями для плавного спуска. Для ExoMars требуется два основных парашюта, для каждого из которых также предусмотрен дополнительный (вытяжной) парашют. Но, как выяснилось, с парашютной системой для спускаемого аппарата проекта возникли трудности, из-за чего окончательное решение по конструкции и производителю парашютов будет приниматься позже, по результатам серии испытаний.
Испытания парашютов ведутся с 2018 года, и с того же времени известны конструктивные недостатки системы, в частности, разрывы ткани при раскрытии парашютов. В 2019 году на очередных испытаниях при сбрасывании с высоты в несколько километров испытательный макет платформы разбился. Принятая для использования с марсоходом схема развёртывания парашютов была утверждена ещё по результатам первого высотного испытания в 2019 году, когда макет платформы сбросили с высоты 29 км — его подняли туда на стратосферном воздушном шаре. Тогда же обнаружились значительные повреждения ткани, и инженерам пришлось серьёзно изменить конструкцию парашютного мешка и способ укладки парашюта, а также подумать над укреплением купола. Модифицированные мешки и парашюты успешно прошли наземные аэродинамические испытания на установках NASA/JPL в декабре 2019 года.
В ноябре 2020 года снова проводились испытания высотного падения, в ходе которых удалось успешно посадить макет, но обнаружились повреждения ткани парашютных куполов, хоть и менее серьёзные, чем в 2019 году; соответственно была разработана «новая стратегия испытаний». «Новая стратегия», в частности, означает, что в дополнение к итальянским парашютам от Arescosmo будут рассматриваться и парашюты от Airborne Systems — аналогичные использованным при посадке Perseverance. Кроме высотных испытаний, предусмотрены также наземные испытания по развёртыванию парашютов. Следующие высотные испытания двух основных парашютов для мягкой посадки аппарата на Марс пройдут в мае или июне 2021 года в Кируне в Швеции.
Следующие за ними высотные испытания запланированы на сентябрь-октябрь в США; если потребуется, за ними последует ещё одна попытка уже в феврале или марте 2022 года. Испытания на большой высоте требуют сложной логистики, и для них требуется дождаться оптимальных погодных условий. Из-за этого их планирование — сложная задача. В то же время наземные аэродинамические испытания по сравнению с ними существенно проще в проведении, поэтому за несколько месяцев перед высотными испытаниями планируют очередные «учения» по раскрытию парашюта на земле с соответствующей работой над ошибками и коррекцией перед полётом. Вероятно, в ходе испытаний летом в Швеции будет принято решение о конструкции системы. По словам специалистов, занятых в проекте, весьма вероятно, что в итоге будет принята «американская» модель (Airborne Systems), а прежняя итальянская останется как запасной вариант.
Запуск аппарата ExoMars состоится на Байконуре между 20 сентября и 1 октября 2022 года (следующее благоприятное окно старта). Выводить аппарат в космос будет ракета «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М». После мягкой посадки в районе равнины Оксия (Oxia Planum) в июне 2023 года марсоход съедет с посадочной платформы и отправится на поиски интересных с геологической точки зрения мест для бурения. Программа ExoMars как совместный проект Роскосмоса и ESA включает орбитальный аппарат Trace Gas Orbiter, который кроме собственных научных задач будет также выполнять роль ретранслятора данных для станции на поверхности. Он уже используется в этом качестве для действующих марсианских станций NASA; в частности, он помогал обеспечивать связь с Землёй во время недавней посадки марсохода Perseverance.