Миссия по возврату образцов с Марса: новые вызовы и перспективы.

Введение

Миссия на Марс для сбора образцов породы и пыли

Миссия возвращения образцов с Марса (MSR) — это предлагаемая миссия по сбору образцов породы и пыли на Марсе и их возвращению на Землю. Такая миссия позволит провести более детальный анализ, чем это возможно с помощью бортовых приборов. Высказывались опасения по поводу возможного перекрестного загрязнения биосферы Земли возвращенными марсианскими образцами, однако риск этого оценивается как низкий. К числу последних концепций относятся предложение NASA и ESA, предложение CNSA под названием Tianwen 3, предложение Роскосмоса под названием Mars Grunt и предложение JAXA под названием Martian Moons eXploration (MMX). Хотя планы NASA и ESA по возвращению образцов на Землю по состоянию на 2023 год все еще находятся на стадии проектирования, марсоход Perseverance уже собрал образцы на Марсе. В январе 2024 года предложенный план NASA был подвергнут критике из-за бюджетных и временных ограничений, и был начат новый проект по его пересмотру. В апреле 2024 года NASA сообщила, что первоначально прогнозируемая стоимость в 7 миллиардов долларов и ожидаемый срок возврата образцов в 2033 году были пересмотрены до 11 миллиардов долларов и 2040 года соответственно, что побудило агентство искать более оптимальное решение. В будущем образцы могут быть повторно проанализированы с использованием приборов, которых еще не существует. В 2006 году Группа анализа программы исследования Марса выявила 55 важных направлений исследований, связанных с изучением Марса. В 2008 году они пришли к выводу, что примерно половина этих направлений "может быть рассмотрена в той или иной степени в рамках MSR", что делает MSR "единственной миссией, которая позволит добиться наибольшего прогресса по всему списку" направлений исследований. Более того, было отмечено, что значительная часть исследований не может быть существенно продвинута без возвращенных образцов. Одним из источников марсианских образцов являются марсианские метеориты — это камни, выброшенные с Марса и достигшие Земли. По состоянию на 2023 год 356 метеоритов были идентифицированы как марсианские из более чем 79 000 известных метеоритов. Считается, что эти метеориты происходят с Марса, поскольку их элементарный и изотопный состав аналогичен составу горных пород и атмосферных газов, проанализированных на Марсе.

A Mars sample return (MSR) mission is a proposed mission to collect rock and dust samples on Mars and return them to Earth. Such a mission would allow more extensive analysis than that allowed by onboard sensors. Risks of cross contamination of the Earth biosphere from returned Martian samples have been raised, though the risk of this occurring is considered to be low. The most recent concepts are a NASA ESA proposal; a CNSA proposal, Tianwen 3; a Roscosmos proposal, Mars Grunt; and a JAXA proposal, Martian Moons eXploration (MMX). Although NASA and ESA's plans to return the samples to Earth are still in the design stage as of 2023, samples have been gathered on Mars by the Perseverance rover. In January 2024, a proposed NASA plan had been challenged due to budget and scheduling considerations, and a newer overhaul plan undertaken. In April 2024, NASA reported that the originally projected cost of $7 billion and expected sample return of 2033 was updated to a higher $11 billion and return of 2040 instead, prompting the agency to search for a better solution. Samples may be reanalyzed in the future by instruments that do not yet exist. In 2006, the Mars Exploration Program Analysis Group identified 55 important investigations related to Mars exploration. In 2008, they concluded that about half of the investigations "could be addressed to one degree or another by MSR", making MSR "the single mission that would make the most progress towards the entire list" of investigations. Moreover, it was reported that a significant fraction of the investigations could not be meaningfully advanced without returned samples. One source of Mars samples is what are thought to be Martian meteorites, which are rocks ejected from Mars that made their way to Earth. as of 2023, 356 meteorites had been identified as Martian, out of over 79,000 known meteorites. These meteorites are believed to be from Mars because their elemental and isotopic compositions are similar to rocks and atmospheric gases analyzed on Mars.

До 1990 года

"Возвращение с Марса" впервые появилось в технической литературе, когда "Аполлон" находился еще в разработке, а первый космический аппарат, пролетевший мимо Марса, еще не был запущен, при этом предполагалось, что люди будут на борту для взлета с Марса. Плотность атмосферы Марса в то время оставалась неизвестной, поэтому инженер из Lockheed представил анализ вариантов траекторий в широком диапазоне условий аэродинамического сопротивления для 15-тонной ракеты-носителя, необходимой для выхода на орбиту сближения. В NASA изучение возврата образцов с Марса осуществлялось совместно Исследовательским центром Лэнгли и Лабораторией реактивного движения в начале 1970-х годов, во время разработки миссии посадочного модуля "Viking Mars", и автор из Лэнгли отметил, что "ракета-носитель для запуска с поверхности Марса на орбиту" потребует высокой эффективности, поскольку ее масса будет "существенно влиять на массу и системные требования" для более ранних этапов миссии, доставки этого аппарата на Марс и подготовки к запуску на Марсе. На протяжении как минимум трех десятилетий ученые выступали за возвращение геологических образцов с Марса. Одной из ранних концепций было предложение SCIM (Sample Collection for Investigation of Mars) – отправка космического аппарата по касательной к верхней части атмосферы Марса для сбора пыли и воздушных образцов без посадки или выхода на орбиту. Советский Союз рассматривал миссию по возврату образцов с Марса, "Марс 5NM", в 1975 году, но она была отменена из-за повторных неудач ракеты-носителя Н1, которая должна была ее запустить. Другая миссия по возврату образцов, "Марс 5М" ("Марс 79"), запланированная на 1979 год, была отменена из-за сложности и технических проблем. В середине 1980-х годов планировщики миссий JPL отметили, что MSR была "сдвинута на 90-е годы из-за бюджетных и других ограничений", и что полет в обе стороны "потребует значительных затрат по двигательной установке". Они представили предварительную оценку массы для концепции, которая предусматривала запуск с Земли полезной нагрузки весом 9,5 метрических тонн, включая орбитальный аппарат для возврата на Землю и посадочный модуль с 400-килограммовым марсоходом и "аппаратом для возвращения с Марса", масса которого превышала 2 метрические тонны. На Землю должен был прибыть 20-килограммовый контейнер с образцами, содержащий 5 кг образцов, включая научные керны, извлеченные из всех типов марсианской местности. В конце 1980-х годов несколько центров NASA внесли вклад в предлагаемую миссию MRSR (Mars Rover Sample Return). Как описали авторы JPL, один из вариантов MRSR предусматривал единичный запуск 12-тонного пакета, включающего орбитальный аппарат Марса и аппарат для возвращения на Землю, 700-килограммовый марсоход и 2,7-тонный аппарат для взлета с Марса (MAV), который использовал жидкостную ракетную установку с насосной подачей для значительной экономии массы. 20-килограммовый пакет образцов на MAV должен был содержать 5 кг марсианского грунта. Автор из Космического центра имени Джонсона впоследствии упомянул о запуске с Земли в 1998 году с массой MAV в диапазоне от 1400 до 1500 кг, включая первую ступень с насосной подачей и вторую ступень с подачей под давлением.

Returning from Mars appeared in technical literature when Apollo was still in development and the first spacecraft to fly past Mars had not yet launched, with an expectation that people would be on board for Mars ascent. The density of the Mars atmosphere remained unknown at that time, so the Lockheed engineering author reported the analysis of trajectory options over a range of aerodynamic drag conditions for a 15 ton launch vehicle to reach a rendezvous orbit. At NASA, returning samples from Mars was studied jointly by the Langley Research Center and the Jet Propulsion Laboratory in the early 1970s during the time that the Viking Mars lander mission was in development, and a Langley author noted that the "Mars surface to orbit launch vehicle" would need high performance because its mass would "have a substantial impact on the mass and systems requirements" for earlier mission phases, delivery of that vehicle to Mars and launch preparations on Mars. For at least three decades, scientists have advocated the return of geological samples from Mars. One early concept was the Sample Collection for Investigation of Mars (SCIM) proposal, which involved sending a spacecraft in a grazing pass through Mars's upper atmosphere to collect dust and air samples without landing or orbiting. The Soviet Union considered a Mars sample return mission, Mars 5NM, in 1975 but it was cancelled due to the repeated failures of the N1 rocket that would have launched it. Another sample return mission, Mars 5M (Mars 79), planned for 1979, was cancelled due to complexity and technical problems. In the mid 1980's, JPL mission planners noted that MSR had been "pushed by budgetary and other pressures into the '90s," and that the round trip would "impose large propulsion requirements." They presented a notional mass budget for a concept that would launch a 9.5 metric ton payload from Earth, including a Mars orbiter for Earth return, and a lander having a 400 kg rover and a "Mars return vehicle" that would mass over 2 metric tons. A 20 kg sample canister would arrive at Earth containing 5 kg of samples including scientific quality cores drilled from every type of Mars terrain. In the late 1980s, multiple NASA centers contributed to a proposed Mars Rover Sample Return mission (MRSR). As described by JPL authors, one option for MRSR relied on a single launch of a 12 ton package including a Mars orbiter and Earth return vehicle, a 700 kg rover, and a 2.7 ton Mars ascent vehicle (MAV) which would use pump fed liquid propulsion for a significant mass saving. A 20 kg sample package on the MAV was to contain 5 kg of Mars soil. A Johnson Space Center author subsequently referred to a launch from Earth in 1998 with a MAV mass in the range 1400 to 1500 kg including a pump fed first stage and a pressure fed second stage.

1990 г. и далее

Программа исследования Марса Соединенных Штатов, сформированная после неудачи Mars Observer в сентябре 1993 года, поддерживала возвращение образцов с Марса. Одна из архитектур была предложена Гленном Дж. Макферсоном в начале 2000-х годов. В середине 1990-х годов НАСА финансировало JPL и Lockheed Martin для изучения доступных маломасштабных архитектур миссий MSR, включая концепцию возвращения 500 граммов образцов Марса с использованием 100-килограммового MAV, который должен был встретиться с небольшим орбитальным аппаратом Марса для стыковки и возвращения на Землю. Роберт Зубрин, давний сторонник пилотируемых миссий на Марс, пришел к выводу в 1996 году, что наилучшим подходом к MSR будет прямой запуск к Земле с использованием топлива, произведенного на Марсе, поскольку стыковка на орбите Марса была бы слишком рискованной, и он оценил, что прямой возвратный MAV будет иметь массу 500 кг, что слишком много для отправки на Марс экономически эффективно, если он будет полностью заправлен на Земле. Международные рецензенты согласились с этим. В 1997 году подробный анализ традиционных маломасштабных ракетных технологий (как твердотопливных, так и жидкостных) показал, что известные компоненты двигательных установок будут слишком тяжелыми для создания MAV весом в несколько сотен килограммов, и было предложено "применение принципов проектирования ракет-носителей для разработки нового оборудования в миниатюрном масштабе". В 1998 году JPL представил проект двухступенчатого MAV с жидкостным бипропеллентом и напорной подачей, который при взлете с Марса весил бы 600 килограммов или меньше, предназначенный для миссии MSR в 2005 году. Тот же автор из JPL сотрудничал над концептуальным одноступенчатым 200-килограммовым MAV, который должен был быть уменьшен в размерах за счет использования насосной подачи топлива для обеспечения легких баков для жидкого топлива с низким давлением и компактных камер сгорания высокого давления. Это преимущество в массе, обеспечиваемое насосной подачей, было применено к концептуальному 100-килограммовому MAV с бюджетом массы, соответствующим достижению орбиты Марса с использованием монопропеллента, что частично было обеспечено простотой одного бака, также применимой к посадке на Марс, обычно выполняемой с использованием монопропеллента. Высокотемпературные двигатели и насос были ранее продемонстрированы в 1994 году в полете экспериментальной ракеты весом 21 кг. По состоянию на конец 1999 года запуск миссии MSR с Земли ожидался в 2003 и 2005 годах. Каждый запуск должен был доставить ровер и аппарат для взлета с Марса, а французский орбитальный аппарат с возможностью возвращения на Землю должен был быть включен в 2005 году. 140-килограммовый MAV, "в процессе заключения контракта с промышленностью" в то время, должен был включать телеметрию на первой ступени и двигатели, которые раскручивали бы аппарат до 300 об/мин перед отделением упрощенной легкой верхней ступени. На вершине каждого MAV находился бы сферический полезный груз весом 3,6 кг и диаметром 16 см, содержащий 500 граммов образцов и солнечные элементы для питания долговечного маяка, облегчающего стыковку с орбитальным аппаратом возвращения на Землю. Орбитальный аппарат должен был захватить контейнеры с образцами, доставленные обоими MAV, и поместить их в отдельные аппараты для входа в атмосферу Земли. Эта концепция миссии, рассматриваемая Программой исследования Марса НАСА для возвращения образцов к 2008 году, была отменена после проверки программы. В середине 2006 года Международная рабочая группа по архитектуре Марса для возвращения образцов (iMARS) была создана Международной рабочей группой по исследованию Марса (IMEWG) для определения научных и инженерных требований к международной спонсируемой и выполняемой миссии по возвращению образцов с Марса в период 2018–2023 годов. Первая миссия ExoMars планировалась на 2018 год с неопределенными миссиями по возвращению образцов в период 2020–2022 годов. Отмена кэширующего ровера MAX C в 2011 году и последующий выход НАСА из ExoMars из-за бюджетных ограничений положили конец миссии. Выход был описан как "травматичный" для научного сообщества. В частности, он поддержал предложенную миссию Mars Astrobiology Explorer Cacher (MAX C) в "усеченной" (менее амбициозной) форме. Этот план миссии был официально отменен в апреле 2011 года. Ключевым требованием к миссии марсохода Perseverance 2020 года было то, что он поможет подготовиться к MSR. Ровер приземлился 18 февраля 2021 года в кратере Езеро для сбора образцов и их хранения в 43 цилиндрических трубках для последующего извлечения.

The United States' Mars Exploration Program, formed after Mars Observer failure in September 1993, supported a Mars sample return. One architecture was proposed by Glenn J. MacPherson in the early 2000s. In the mid 1990s, NASA funded JPL and Lockheed Martin to study affordable small scale MSR mission architectures including a concept to return 500 grams of Mars samples using a 100 kg MAV that would meet a small Mars orbiter for rendezvous and return to Earth. Robert Zubrin, a long time advocate for human Mars missions, concluded in 1996 that the best approach to MSR would be launching directly to Earth using propellants made on Mars, because a rendezvous in Mars orbit would be too risky and he estimated that a direct return MAV would mass 500 kg, too heavy to send to Mars affordably if fully fueled on Earth. International peer reviewers concurred. In 1997, a detailed analysis of conventional small scale rocket technology (both solid and liquid propellant) found that known propulsion components would be too heavy to build a MAV as lightweight as several hundred kilograms and "The application of launch vehicle design principles to the development of new hardware on a tiny scale" was suggested. In 1998, JPL presented a design for a two stage pressure fed liquid bipropellant MAV that would be 600 kilograms or less at Mars liftoff, intended for a MSR mission in 2005. The same JPL author collaborated on a notional single stage 200 kg MAV intended to be made small by using pump fed propulsion to permit lightweight low pressure liquid propellant tanks and compact high pressure thrust chambers. This mass advantage of pump fed operation was applied to a conceptual 100 kg MAV having a mass budget consistent with reaching Mars orbit using monopropellant, partly enabled by the simplicity of a single tank, also applicable to Mars landing typically done with monopropellant. The high pressure thrusters and pump had previously been demonstrated in the 1994 flight of an experimental 21 kg rocket. As of late 1999, the MSR mission was anticipated to be launched from Earth in 2003 and 2005. Each was to deliver a rover and a Mars ascent vehicle, and a French supplied Mars orbiter with Earth return capability was to be included in 2005. The 140 kg MAV, "in the process of being contracted to industry" at that time, was to include telemetry on its first stage and thrusters that would spin the vehicle to 300 RPM before separation of the simplified lightweight upper stage. Atop each MAV, a 3.6 kg, 16 cm diameter spherical payload would contain 500 grams of samples and have solar cells to power a long life beacon to facilitate rendezvous with the Earth return orbiter. The orbiter would capture the sample containers delivered by both MAVs and place them in separate Earth entry vehicles. This mission concept, considered by NASA's Mars Exploration Program to return samples by 2008, was cancelled following a program review. In mid 2006, the International Mars Architecture for the Return of Samples (iMARS) Working Group was chartered by the International Mars Exploration Working Group (IMEWG) to outline the scientific and engineering requirements of an internationally sponsored and executed Mars sample return mission in the 2018–2023 time frame. ExoMars's first mission was planned to launch in 2018 with unspecified missions to return samples in the 2020–2022 time frame. The cancellation of the caching rover MAX C in 2011, and later NASA withdrawal from ExoMars, due to budget limitations, ended the mission. The pull out was described as "traumatic" for the science community. In particular, it endorsed the proposed Mars Astrobiology Explorer Cacher (MAX C) mission in a "descoped" (less ambitious) form. This mission plan was officially cancelled in April 2011. A key mission requirement for the Mars 2020 Perseverance rover mission was that it help prepare for MSR. The rover landed on 18 February 2021 in Jezero Crater to collect samples and store them in 43 cylindrical tubes for later retrieval.

Миссия "Марс 2020"

Миссия Mars 2020 приземлила марсоход Perseverance в кратере Джезеро в феврале 2021 года. Он собрал несколько образцов и продолжит это делать, помещая их в цилиндрические контейнеры для последующей доставки в рамках кампании MSR. Кратер Джезеро, предположительно, является древним дном озера, подходящим для взятия проб грунта. Также перед ним стоит задача доставить образцы непосредственно к посадочному модулю для возврата образцов, учитывая потенциально длительный срок службы миссии. Начиная с 21 декабря 2022 года, Perseverance начал кампанию по размещению 10 собранных образцов в резервном хранилище Three Forks, чтобы в случае возникновения проблем с Perseverance кампания MSR все же могла быть успешно завершена.

НАСА ЕКА

NASA и ESA планируют вернуть образцы с помощью трех миссий: миссия по сбору образцов (Perseverance), запущенная в 2020 году и в настоящее время функционирующая, миссия по извлечению образцов (Sample Retrieval Lander + Mars ascent vehicle + Sample Transfer arm + 2 вертолета класса Ingenuity) и миссия по возврату (Earth Return Orbiter). Хотя предложение NASA и ESA все еще находится на стадии разработки, первый этап сбора образцов в настоящее время выполняется марсоходом Perseverance на Марсе, а компоненты посадочного модуля для извлечения образцов (второй этап) проходят испытания на Земле. Последующие этапы столкнулись со значительным превышением стоимости по состоянию на август 2023 года. По состоянию на ноябрь 2023 года, NASA, как сообщается, сократила финансирование программы из-за возможной нехватки средств. В апреле 2024 года NASA сообщила, что первоначально прогнозируемая стоимость в 7 миллиардов долларов и ожидаемый возврат образцов в 2033 году были пересмотрены до неприемлемых 11 миллиардов долларов и возврата в 2040 году, что побудило агентство искать более оптимальное решение.

Китай

Китай объявил о планах миссии по возвращению образцов с Марса под названием "Тяньвэнь-3". Запуск миссии запланирован на конец 2028 года: посадочный и взлётный аппараты будут выведены на орбиту ракетой-носителем "Чанчжэн-5", а орбитальный аппарат и модуль возврата – отдельно, ракетой-носителем "Чанчжэн-3B". Возврат образцов на Землю ожидается в июле 2031 года. Ранее рассматривался проект с использованием единого крупного космического аппарата, способного выполнить все этапы миссии, включая сбор образцов, взлёт, сближение на орбите и возвращение на Землю. Для реализации этого проекта потребовалась бы сверхтяжёлая ракета-носитель "Чанчжэн-9". Также рассматривался вариант использования "Тяньвэнь-1" для создания запаса образцов для последующего забора.

Франция

Франция на протяжении многих лет работала над программой возврата образцов. Это включало в себя разработку концепции учреждения для хранения и изучения внеземных образцов, а также множество предложений. Они занимались разработкой орбитального аппарата для возврата образцов с Марса, который должен был захватить и доставить эти образцы на Землю в рамках совместной миссии с другими странами.

Япония

9 июня 2015 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) представило план под названием Martian Moons Exploration (MMX) по доставке образцов с Фобоса или Деймоса. Орбита Фобоса находится ближе к Марсу, и его поверхность могла захватить частицы, выброшенные с Марса. Запуск с Земли запланирован на сентябрь 2024 года, а возвращение на Землю – в 2029 году. Япония также выразила заинтересованность в участии в международной миссии по возврату образцов с Марса.

Россия

Российская концепция миссии по возвращению образцов с Марса – "Марс-Грунт". Она унаследовала конструкторские решения, использованные в проекте "Фобос-Грунт", с образцами, собранными роботизированной рукой в окрестностях посадочного модуля.

Загрязнение спины

Существование жизни на Марсе остаётся невыясненным. Таким образом, миссия по возвращению образцов с Марса (MSR) потенциально может перенести жизнеспособные организмы на Землю, что приведёт к обратному загрязнению – попаданию внеземных организмов в биосферу Земли. Научный консенсус заключается в том, что вероятность масштабных последствий, будь то развитие патогенности или нарушение экологического равновесия, невелика. Возвращённые образцы будут считаться потенциально биоопасными до тех пор, пока учёные не определят их безопасность. Цель состоит в том, чтобы вероятность выброса марсианской частицы была меньше одной на миллион. Кроме того, в соответствии со статьей VII Договора о космосе и другими правовыми нормами, в случае выброса организмов, страна (или страны), осуществившая выпуск, будет нести ответственность за любые возникшие убытки. Миссия по возвращению образцов будет направлена на предотвращение контакта между марсианской средой и внешней поверхностью контейнеров с образцами. Другие учёные и инженеры, в частности Роберт Зубрин из Марсианского общества, утверждали в журнале "Journal of Cosmology", что риск загрязнения практически отсутствует, и поводов для беспокойства нет. Они приводят, в частности, отсутствие каких-либо известных случаев, несмотря на то, что триллионы килограммов вещества были обменены между Марсом и Землёй в результате метеоритных ударов. Международный комитет против возвращения образцов с Марса (ICAMSR) – это группа сторонников во главе с Барри ДиГрегорио, выступающая против миссии по возвращению образцов с Марса. Хотя ICAMSR признаёт низкую вероятность биоопасности, он считает предлагаемые меры сдерживания недостаточными. ICAMSR выступает за проведение дополнительных исследований непосредственно на Марсе и предварительного тестирования на предмет биоопасности на Международной космической станции до доставки образцов на Землю. ДиГрегорио поддерживает теорию заговора о сокрытии НАСА факта обнаружения микробной жизни аппаратами "Викинг" в 1976 году. ДиГрегорио также придерживается мнения, что некоторые патогены, такие как распространённые вирусы, имеют внеземное происхождение и, вероятно, стали причиной массовых вымираний и пандемий. Эти утверждения, связывающие земные заболевания и внеземные патогены, были отвергнуты научным сообществом.

Whether life forms exist on Mars is unresolved. Thus, MSR could potentially transfer viable organisms to Earth, resulting in back contamination — the introduction of extraterrestrial organisms into Earth's biosphere. The scientific consensus is that the potential for large scale effects, either through pathogenesis or ecological disruption, is small. Returned samples would be treated as potentially biohazardous until scientists decide the samples are safe. The goal is that the probability of release of a Mars particle is less than one in a million. Furthermore, under the terms of Article VII of the Outer Space Treaty and other legal frameworks, were a release of organisms to occur, the releasing nation(s) would be liable for any resultant damages. The sample return mission would be tasked with preventing contact between the Martian environment and the exterior of the sample containers. Other scientists and engineers, notably Robert Zubrin of the Mars Society, argued in the Journal of Cosmology that contamination risk is functionally zero leaving little need to worry. They cite, among other things, lack of any known incident although trillions of kilograms of material have been exchanged between Mars and Earth via meteorite impacts. The International Committee Against Mars Sample Return (ICAMSR) is an advocacy group led by Barry DiGregorio, that campaigns against a Mars sample return mission. While ICAMSR acknowledges a low probability for biohazards, it considers the proposed containment measures to be unsafe. ICAMSR advocates more in situ studies on Mars, and preliminary biohazard testing at the International Space Station before the samples are brought to Earth. DiGregorio accepts the conspiracy theory of a NASA coverup regarding the discovery of microbial life by the 1976 Viking landers. DiGregorio also supports a view that several pathogens – such as common viruses – originate in space and probably caused some mass extinctions and pandemics. These claims connecting terrestrial disease and extraterrestrial pathogens have been rejected by the scientific community.