Глядя в небо с края древней дельты реки на Марсе в августе этого года, электронный глаз марсохода «Персеверанс» увидел продолговатую тень, пересекающую далёкое светящееся Солнце. По его диску проходил Фобос — марсианская луна, названная в честь древнегреческого бога страха и паники. Спутник Марса, прошедший по солнечному диску менее минуты, слишком мал, чтобы затмить бледное, заполненное пылью небо, но достаточно близок к планете, чтобы закрыть существенную часть нашей звезды.

Эта крошечная луна загадочного происхождения — тайна для нас, раскрытие появления и истории которой может сказать нам многое о Марсе и Солнечной системе в целом. Международная миссия Martian Moons eXploration (MMX), успешно запущенная 20 октября, намеревается исследовать эту тайну благодаря серии беспрецедентных приземлений на неизвестную нам поверхность Фобоса.

С выполнением этой миссии связаны непривычные нам сложности: например, нужно рассчитать орбиту для изучения луны с микрогравитацией, вращающейся вокруг гораздо большей планеты. Инженерам приходилось разбираться, как исследовать эту низкогравитационную кучу слабосвязанных пород и камней и как на неё приземляться, как ровер может перемещаться по ней, и как космический аппарат мог быть взять образцы и вернуть их на Землю.

«Я часто повторяю, что приземление на Фобос подобно приземлению надувного шарика. Очень сложно опустить шарик на землю так, чтобы он не перевернулся и не отскакивал», — рассказывает руководитель проекта MMX в Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Ясухиро Кавакацу.

Почему Фобос — такой необычный спутник

Фобос — одна из маленьких марсианских лун; вторая — это Деймос, названная в честь древнегреческого бога ужаса. Космическое происхождение обеих лун неизвестно, однако есть две основные теории. Согласно одной, луны когда-то были астероидами из пояса между Марсом и Юпитером, которые позже захватила гравитация меньшей из этих планет. По другой теории, Фобос и Деймос образовались, когда с Марсом столкнулось крупное небесное тело; образовавшиеся при столкновении обломки вышли на орбиту. Некоторые модели позволяют предположить, что эта пара оказалась последними выжившими из кластера спутников.

Если говорить в строго научной терминологии, Фобос — это груда обломков, едва связанное скопление породы и пыли. Он слишком мал, чтобы стать сферическим под воздействием собственной массы, поэтому имеет форму картошки примерно 27 километров длиной с гравитацией примерно в 1800 раз меньше земной. На Фобосе средний взрослый человек будет весить столько же, сколько теннисный мяч на Земле.

Миссия MMX, разрабатывавшаяся более десяти лет, стартовала 20 октября по местному времени с космодрома Танэгасима на японской ракете H3 — флагмане национальной космической программы. В 2027 году аппарат прибудет к Марсу, доставив научное оборудование от нескольких космических агентств, в том числе NASA, а также новый ровер под названием Idefix, разработанный французским и немецким космическими агентствами (CNES и DLR) совместно с JAXA.

MMX состоит из трёх модулей. Первый — двигательный модуль, который обеспечит перелёт к Марсу и затормозит аппарат, чтобы вывести его на орбиту вокруг Красной планеты. Второй — исследовательский модуль, на котором размещены ровер, оборудование для сбора образцов и другие научные приборы. К нему прикреплён третий модуль — возвращаемый, в котором находится капсула, предназначенная для входа в атмосферу Земли на высокой скорости. После сбора образцов на Фобосе исследовательский и возвращаемый модули вместе взлетят с его поверхности. Затем исследовательский модуль будет отделён, а возвращаемый возьмёт курс на Землю.

Если всё пойдёт по плану, во второй половине 2031 года MMX доставит на Землю образец массой 10 граммов. Однако на пути к этой цели миссии предстоит преодолеть ряд серьёзных трудностей. Среди них — маневрирование по сложным орбитам вокруг Фобоса и посадка на его поверхность в условиях, когда Марс периодически будет перекрывать связь с Землёй.

«Это самая сложная миссия из всех, что я когда-либо видел», — признаёт директор по научным исследованиям CNRS (Национального центра научных исследований Франции) и один из главных исследователей Idefix Патрик Мишель.

Как MMX будет выходить на орбиту Фобоса

Когда MMX выйдет на низкую околоземную орбиту, включится двигатель двигательного модуля, который начнёт почти годовой перелёт к Марсу через межпланетное пространство. По прибытии космическому аппарату потребуется выполнить продолжительное, тщательно рассчитанное по времени включение двигателей, чтобы достаточно замедлиться и попасть под действие гравитации Марса. Затем двигательный модуль будет отделён, а исследовательский и возвращаемый модули останутся на орбите Марса.

«Если что-то пойдёт не по плану, MMX пролетит мимо Марса и будет выброшен в Солнечную систему», — говорит специалист по астронавигации и соавтор научной статьи, посвящённой специально разработанным орбитам для MMX, Николя Барези.

С этой начальной орбиты MMX перейдёт на специально рассчитанную квазиспутниковую орбиту, которая позволит ему двигаться с той же скоростью, что и небольшой спутник, но при этом перемещаться относительно него. Фобос слишком мал, чтобы аппарат мог обращаться вокруг него по обычной орбите, поэтому космический аппарат будет вращаться вокруг Марса вместе со спутником, двигаясь по хитроумной траектории в форме вытянутого эллипса. Благодаря этому MMX будет поочерёдно оказываться то впереди Фобоса, то позади него. «Если аппарат находится ближе к Марсу, то ускоряется относительно Фобоса, если дальше от Марса — замедляется. Так он, по сути, будет двигаться туда-сюда», — объясняет Барези.

Лучшие из существующих снимков Фобоса, полученные такими аппаратами, как Mars Reconnaissance Orbiter НАСА и Mars Express Европейского космического агентства (ЕКА), имеют разрешение всего в несколько метров на пиксель. Это даже больше, чем сам ровер Idefix, имеющий размер примерно с микроволновку. Чтобы составить более подробную карту поверхности, MMX будет пролетать перед Фобосом и за ним, приближаясь к его поверхности на расстояние от 200 км до менее чем 20 км.

В ходе двухлетней программы дистанционного зондирования исследовательский модуль будет использовать несколько камер и лазерный высотомер, чтобы составить подробную карту поверхности и выявить потенциальные места посадки. Когда Марс окажется между Землёй и Солнцем, из-за чего связь с MMX прервётся примерно на две недели, аппарат перейдёт на более высокую устойчивую орбиту. После восстановления связи MMX начнёт готовиться к отправке своего первого гостя на поверхность Фобоса.

Ровер Idefix: первый пингвин

По словам Кавакацу, прежде чем исследовательский модуль вместе с прикреплённым к нему возвращаемым модулем попытаются совершить посадку, MMX отправит разведчика, которого в Японии называют «первым пингвином», прыгающим в неизведанные воды. В этой миссии первопроходцем станет ровер Idefix, названный в честь собачки Обеликса из французской серии комиксов «Астерикс». В 2028 году или в начале 2029-го исследовательский модуль выпустит ровер во время пролёта на высоте от 40 до 100 метров над поверхностью Фобоса.

Это будет напряжённый момент, напоминающий о событиях 2005 года, когда Япония проводила миссию «Хаябуса» по исследованию астероида Итокава. Тогда в ходе аналогичной операции ровер «Минерва» отделили от орбитального аппарата, но по ошибке сбросили с высоты 200 метров вместо запланированных 70. Ровер промахнулся мимо астероида и, не имея собственной двигательной установки, улетел в открытый космос.

Idefix получит лёгкий толчок от исследовательского модуля в направлении своей цели с практически отсутствующей гравитацией. Ровер будет свободно падать, вероятно, кувыркаясь в полёте. Ожидается, что скорость при касании поверхности составит менее 1 метра в секунду. В отличие от роверов, которые садились на другие небесные тела с помощью надувных подушек или специальных посадочных опор, Idefix приземлится без какой-либо защиты. Исключение составит лишь дополнительная амортизация солнечных панелей, поскольку они имеют критически важное значение для работы аппарата. Чрезвычайно слабая гравитация Фобоса должна обеспечить мягкую посадку 23-килограммового ровера, хотя предсказать, как именно она пройдёт, довольно сложно.

«Вероятно, он несколько раз подпрыгнет, а потом постепенно стабилизируется», — рассказывает один из главных исследователей проекта Idefix и руководитель проекта в DLR Штефан Уламек. После остановки четыре убранные посадочные опоры раскроются и автоматически поставят ровер на колёса независимо от того, в каком положении он окажется. Затем ровер развернёт солнечные панели, чтобы зарядить аккумуляторы перед предстоящими исследовательскими работами.

Cимуляция показывает, как предположительно будут происходить кувыркания Idefix при посадке на Фобос, после чего он перевернётся с помощью подвижных опор и приступит к исследованию поверхности спутника.

После начала работы Idefix будет передвигаться с черепашьей скоростью, развивая скорость максимум один миллиметр в секунду. Его металлические колёса оснащены выступающими лопастями, как у гребного колеса. Такая конструкция призвана обеспечить сцепление с поверхностью в условиях микрогравитации Фобоса. «Если бы наш ровер двигался быстрее, то он, скорее всего, не ехал бы по поверхности, а словно плыл по ней», — говорит аспирантка Сесили Сандей, участвовшая в испытаниях камер WheelCam ровера Idefix в Высшем институте аэронавтики и космоса (ISAE-Supaéro) в Тулузе, Франция.

В нижней части ровера установлена пара камер WheelCam. В ходе запланированной основной миссии Idefix продолжительностью 100 земных суток они будут наблюдать за колёсами и оставляемыми ими следами. Полученные снимки помогут учёным изучить размер и распределение частиц реголита Фобоса, а также степень их сцепления друг с другом. От того, насколько сильно или слабо частицы слипаются, будет во многом зависеть передвижение Idefix. Сандей сравнивает это с разницей между ездой по сухому и влажному песку. «Представьте, что вы пытаетесь построить замок из сухого песка. Ничего не получится. Но стоит добавить воды, и это вдруг становится возможным», — говорит она.

Команда проекта испытала девятилопастные колёса ровера на различных материалах, включая имитаторы реголита Фобоса, предоставленные JAXA и DLR, имитаторы лунного грунта, стеклянные шарики, кварцевый песок и глиняные гранулы. «Мы точно определяем механические свойства каждого имитатора, а затем проводим испытания во всём диапазоне условий, варьируя размер и угловатость частиц и даже их цвет. Это позволит нам соотносить то, что мы видим на снимках WheelCam, с реальными свойствами поверхности», — говорит Сандей.

По словам Сесили, несмотря на микрогравитацию и то, что Фобос представляет собой скопление обломков, испытания на Земле позволяют довольно точно смоделировать движение ровера по поверхности этого небольшого спутника. Пониженная гравитация Фобоса уменьшает вес ровера, но одновременно снижает и давление между частицами грунта под его колёсами. «Если двигаться крайне медленно и использовать одни и те же материалы при одинаковой массе системы, результаты испытаний должны вполне соответствовать реальности», — считает Сандей.

Взаимодействие Idefix с его новым «домом» позволит получить данные с точностью до долей миллиметра, а также сведения о пористости, размере частиц, прочности поверхности и твёрдости материала, говорит Уламек. «Эти данные заполнят пробел между дистанционными наблюдениями с орбиты и подробным изучением доставленных на Землю образцов».

Результаты исследований Idefix на этом каменистом, изрезанном рельефе помогут определить, как и где JAXA попытается посадить основной космический аппарат. По словам Мишеля, посадка ровера даст фактические данные, необходимые для понимания свойств Фобоса. Когда аппарат НАСА OSIRIS-REx коснулся поверхности астероида Бенну для сбора образцов, его манипулятор для забора образцов неожиданно погрузился в рыхлый грунт почти на полметра. Однако Уламек не думает, что Idefix глубоко увязнет в поверхности Фобоса. Он отмечает, что Бенну сильно отличается от Фобоса и намного меньше его: диаметр астероида составляет всего 500 метров.

Как MMX приземлится и будет собирать образцы

После того как Idefix исследует поверхность, перед MMX встанет ещё более сложная задача: посадить на Фобос гораздо более крупный исследовательский модуль. Космический аппарат совершит управляемое снижение примерно до 10 метров над поверхностью, а оставшееся расстояние преодолеет в свободном падении. Из-за крайне слабой гравитации даже небольшое боковое смещение может привести к тому, что посадочный модуль опрокинется или отскочит от поверхности. Успешная посадка в вертикальном положении ознаменует начало критически важного этапа сбора образцов, на который у аппарата будет до двух часов.

При разработке миссии MMX используются опыт и технологии, полученные Японией в ходе двух предыдущих миссий «Хаябуса» по доставке образцов с астероидов Итокава и Рюгу. Однако в этой миссии задействовано гораздо больше сложных механизмов. Исследовательский модуль MMX будет оснащён двумя устройствами для сбора образцов: пробоотборником для забора керна, разработанным JAXA, и пневматическим пробоотборником, предоставленным НАСА и изготовленным компанией Honeybee Robotics, дочерним предприятием Blue Origin. Данные, полученные с помощью этих устройств и приборов ровера Idefix, могут помочь ответить на вопросы о происхождении Фобоса и эволюции системы Марса.

Керновый пробоотборник состоит из роботизированного манипулятора и цилиндрического пробоотборника, предназначенного для извлечения образцов с глубины не менее 2 сантиметров. Манипулятор может перемещаться, чтобы выбрать наиболее подходящее место для бурения. «Уже само по себе это предоставляет сложность, ведь раньше мы никогда не делали ничего подобного. Никогда не знаешь, что может оказаться непосредственно в месте отбора образцов: например, там может лежать валун, который не позволит переместить манипулятор», — делится Патрик Мишель.

Исследование грунта под верхним слоем поверхности особенно ценно, поскольку солнечное излучение, галактические космические лучи и микрометеориты подвергали поверхность интенсивному воздействию. Материал из более глубоких слоёв должен лучше сохранять свидетельства происхождения спутника. JAXA планирует собрать не менее 10 граммов такого материала.

Пневматический пробоотборник, смонтированный на одной из опор посадочного модуля, работает по другому принципу: он будет инъецировать в поверхность чистый инертный газообразный азот, а затем собирать поднятые частицы грунта. Этот образец позволит получить информацию об изменениях, происходивших со временем с Марсом и его лунами. Кроме того, такая двойная система обеспечивает избыточность в условиях множества неизвестных Фобоса. «Если поверхность Фобоса окажется очень твёрдой, то у кернового пробоотборника могут возникнуть проблемы с проникновением под поверхность. У пневматического пробоотборника таких затруднений не возникнет и он всё равно сможет собрать материал», — объясняет Кавакацу.

Один из самых интригующих аспектов миссии MMX — дополнительная потенциальная возможность собрать материал самой планеты. Вероятно, поверхность Фобоса усеяна марсианским грунтом, который был выброшен в космос при ударах метеоритов. Таким образом, MMX даёт возможность впервые доставить на Землю образцы марсианского вещества. По оценке Мишеля, среди собранных образцов могут оказаться «несколько сотен частиц марсианского происхождения». Учёные смогут отличить их от вещества самого Фобоса, проанализировав изотопы кислорода.

Из-за такой возможности встаёт вопрос защиты нашей планеты. Миссия по доставке образцов непосредственно с Марса должна была бы соблюдать строгие правила, гарантирующие, что потенциально содержащий живые организмы марсианский материал не загрязнит Землю. Однако на MMX эти протоколы не распространяются, даже если в собранных образцах окажутся частицы марсианского грунта. Группа экспертов пришла к выводу, что любые микроорганизмы, выброшенные с Марса, не переживут ни разрушительного удара и выброса породы в космос, ни интенсивного радиационного облучения на пути к Фобосу. Благодаря этому для MMX не придётся внедрять дорогостоящие и требующие много времени процедуры карантина и изоляции доставляемых образцов.

Во время краткой операции на поверхности спутника манипулятор поместит образцы в модуль хранения, из которого они затем будут перенаправлены в капсулу на борту возвращаемого модуля и герметизированы в вакууме. После этого будет совершён взлёт.

Вернувшись на орбиту Марса, исследовательский модуль возобновит наблюдения за Фобосом и несколько раз пролетит мимо другого небольшого спутника Марса — Деймоса, чтобы собрать данные о его поверхности, строении и составе. В ноябре 2030 года, когда взаимное расположение Марса и Земли будет благоприятным, MMX начнёт обратный путь. Возвращаемый модуль отделится от исследовательского и возьмёт курс на Землю. Его единственная задача — доставить на нашу планету пыль с Фобоса.

Наконец, в 2031 году капсула с образцами шириной 60 сантиметров ворвётся в атмосферу Земли со скоростью примерно 12 км/с. Если она выдержит огромный нагрев при входе в атмосферу и приземлится в Австралии целой, учёные начнут извлекать сведения о Фобосе и ранних этапах развития Солнечной системы. Институт космических наук и астронавтики JAXA примет образцы на хранение и займётся их изучением. Образцы также будут переданы партнёрам по миссии.

«Мы получим с борта космического аппарата измерения в макроскопическом масштабе, измерения в микроскопическом масштабе, выполненные с помощью ровера, а затем результаты анализа самих образцов. Таким образом, мы сможем сопоставить данные, полученные на всех трёх уровнях», — рассказывает Мишель. Информация, полученная благодаря снимкам с орбиты, детальным изображениям реголита и химическому анализу образцов, может также внести свой склад и в понимание устройства Солнечной системы.

«Цель миссии MMX — изучить систему Марса и пролить свет на то, как землеподобные планеты, такие как Земля и, возможно, Марс, формируют условия, пригодные для жизни. Мы твёрдо убеждены, что область землеподобных планет земной группы изначально была сухой, а вода и органические вещества проникли во внутреннюю часть Солнечной системы из её богатых льдами внешних областей», — говорит Кавакацу. По его словам, Марс находится на границе между внутренней и внешней частями Солнечной системы, поэтому его спутники стали ценными свидетелями процессов, сформировавших миры, потенциально пригодные для жизни.