На ближайшие 10—15 лет одним из главных направлений в изучении Солнечной системы станут исследования Марса. Наряду с Венерой по целому ряду признаков Марс — наиболее похожая на Землю планета. Сейчас ее атмосфера очень разрежена, на поверхности нет жидкой воды, перепады температуры от +20 до —120° по Цельсию. Но миллионы лет назад там все было иначе: более плотная атмосфера, открытые водоемы, сравнительно мягкий климат. Изучение эволюции Марса поможет лучше понять прошлое и, главное, будущее Земли, определить, в частности, те предельные антропогенные нагрузки, которые еще способна выдержать окружающая среда на нашей планете. Обнаружение на Марсе следов биосферы (современной или вымершей) имело бы исключительное значение для раскрытия тайны происхождения жизни. И наконец, Марс — это единственная планета, на которую реальна высадка космонавтов в ближайшие полтора-два десятилетия. Помимо огромного научно-технического значения такого события, нельзя сбрасывать со счетов и его общественно-политический резонанс. Все это делает Марс предметом наивысшего приоритета в программе исследований Солнечной системы и в Советском Союзе, и в большинстве развитых стран.

Из опыта предыдущих исследований очевидно, что единичные запуски к Марсу неэффективны. Необходимо создание сети исследовательских станций, работающих в разных местах поверхности планеты, разработка новых технических средств исследований, прежде всего долгоживущих, способных проводить глобальные измерения.

В Советском Союзе программа исследований Марса включена (на время ее принятия) в список четырнадцати Государственных научно-технических программ (ГНТП). Первый ее этап намечен на 1994 г. В октябре этого года планируется запустить две автоматические межпланетные станции, предназначенные для дистанционных и прямых исследований атмосферы и поверхности планеты и околопланетного космического пространства. Предусмотрены также измерения на трассе перелета в межпланетном пространстве. В состав каждого космического аппарата войдут: модуль для работы на орбите искусственного спутника Марса, аэростатный зонд для работы в атмосфере планеты, два пенетратора и две малые стационарные посадочные станции, а также, возможно, малая подвижная станция для работы на ее поверхности.

Перелет займет одиннадцать месяцев. Орбитальные модули выйдут на орбиту искусственных спутников Марса в сентябре 1995 г. (конец марсианской весны). Малые посадочные станции отделяются при подлёте к планете. Отделение спускаемых аппаратов с аэростатами будет проведено с эллиптической орбиты примерно через один месяц после прилета к Марсу. Пенетраторы также вводятся с эллиптической орбиты. Гарантированное время активного существования аппарата на орбите марсианского спутника — один земной год, но, возможно, реальная продолжительность миссии будет большей.

Ко времени подлета советской станции к Марсу на околомарсианской орбите уже будет находиться американский космический аппарат «Марс-Обсервер» (запуск в 1992 г.). Научный состав и программа обоих аппаратов являются в значительной степени взаимодополняющими. Главное отличие советской миссии в том, что она содержит различные посадочные средства, причем нового типа.

В процессе одновременной работы космических аппаратов «Марс-94» и «Марс-Обсервер» предполагается осуществлять обмен данными и оперативную координацию работы. Кроме того, имеется договоренность об установке на борту «Марса-Обсервер» советского приемопередатчика с целью ретрансляции части телеметрической информации с аэростатов, малых станций и, возможно, пенетраторов. Это позволит значительно увеличить общий объем информации, планируемой к получению в проекте «Марс-94».

Проект «Марс-94» имеет международный статус. Предложения на участие в нем собирались в Институте космических исследовавши АН СССР в течение двух лет. В феврале 1989 г. в Москве было проведено первое международное совещание, на котором были приняты рекомендации по составу научных приборов и кооперации стран при их изготовлении. Затем в апреле 1990 г. в Институте состоялось заседание Международного научного совета по проектy (председатель Совета и научный руководитель программы академик, вице-президент Академии наук СССР Ю. А. Осипьян), который утвердил окончательный состав научной аппаратуры орбитального модуля, аэростатной станции, малых станций и пенетраторов, а также кооперацию по разработке и изготовлению научной Аппаратуры проекта между организациями разных стран.

К середине этого же года в Научно-исследовательском Центре им. Бабакина (СССР) был завершен этап работ по размещению научной аппаратуры на борту космического аппарата.

ОРБИТАЛЬНЫЙ АППАРАТ

Орбитальный аппарат выводится на орбиту искусственного спутника Марса с периодом обращения 12 ч, высотой перицентра 300 км и высотой апоцентра 18 200 км. В период связи с аэростатом высотa перицентра увеличивается до 500 км. Вне этого периода высотa может быть на короткое время понижена до 200 км для проведения прямых исследований атмосферы. Наклонение орбиты 100 — 180°. Орбитальный аппарат имеет трехосную систему ориентации. Объем передаваемых на Землю данных будет достигать 1 Гбит/сут. Скорость передачи телеметрической информации 64— 128 Кбит/с (в зависимости от расстояния Марс—Земля).

По своим задачам эксперименты, которые будут выполняться на борту орбитального аппарата, можно разделить на две основные группы:

первая — исследования поверхности и атмосферы планеты;

вторая — исследования плазмы и магнитных полей в окрестностях Марса и на трассе перелета.

Будет также проводиться небольшой объем астрофизических экспериментов (наблюдения гамма-всплесков, солнечных и звездных осцилляций).

Исследования поверхности и атмосферы планеты. Один из основных научных приборов орбитального аппарата — стереовидео-спектрометрический комплекс АРГУС (СССР, Германия, Франция, США, Италия, Венгрия). Он состоит из телевизионных камер высокого (10 м) и низкого (200 м) разрешения, телевизионной навигационной камеры и инфракрасного спектрометра «Омега».

Для телевизионной съемки в первую очередь будут выбираться районы, представляющие наибольший интерес с точки зрения эволюции поверхности и гидрокриолита сферы, т. е. зоны слоистых отложений, структур, образованных потоками воды, и т. п. Здесь существенны также измерения элементного состава пород с помощью гамма-спектрометра (СССР, Франция, США) и минералогическое спектральное картирование поверхности инфракрасными спектрометрами «Омега» и ПФС (СССР, Германия, Италия, Польша, Франция). Планетный фурье-спектрометр (ПФС) имеет пространственное разрешение до 0,3 км.

Для измерения широтного распределения, глубины залегания и толщины слоев вечной мерзлоты будет использоваться длинноволновой радар, работающий на частоте 0,2—5 МГц (Германия, США). Большой интерес представляет определение запасов летучих веществ в полярных шапках на основе анализа данных длинноволнового радара и обоих инфракрасных спектрометров.

Значительную роль в эволюции поверхности Марса играют процессы переноса раздробленного материала ветром. Телевизионные камеры и инфракрасные спектрометры «Омега» будут использоваться для мониторинга (прослеживания) этих процессов.

Дистанционные измерения с помощью инфракрасных спектрометров и прибора «Термоскан» (СССР) позволят выполнить тепловое картирование поверхности. А температура, до которой нагрета поверхность, зависит от ее физических характеристик, в частности, от степени раздробленности грунта. Таким образом, одновременно можно будет получить сведения и о макроскопических особенностях поверхности (рельефе), и о ее микроструктуре —размерах частиц реголита.

Широкодиапазонный инфракрасный спектрометр ПФС будет использоваться и для получения профилей полосы поглощения углекислого газа (15 мкм), по которым можно оценить вертикальное распределение температуры (на высотах от 0 до 40 км) во многих точках планеты. Это позволит построить трехмерные температурные карты поверхности. С привлечением данных о движении облаков, получаемых телевизионной системой, такие карты дадут возможность составить четкое представление о динамике атмосферы Марса.

Спектрометр ПФС позволит также осуществить мониторинг горизонтального распределения углекислого газа и водяного пapa. По предварительным данным распределение водяного пара имеет сложный характер и систематически меняется со сменой сезонов.

Очень мало пока информации о вертикальном распределении малых составляющих атмосферы — кислорода, озона и др. Оно будет исследоваться методом спектроскопии солнечных затмений с помощью спектрометрического комплекса СПИКАМ и звездного сейсмографа ЭВРИС (СССР, Франция, Бельгия, Болгария). Суть метода — в измерении спектра солнечного излучения, прошедшего через атмосферу Марса, когда Солнце наблюдается вблизи края планеты — заходит за него или, наоборот, восходит, т. е. в условиях затмения Солнца планетой. При этом солнечные лучи идут по касательной и на их пути оказывается максимально возможное количество атмосферного вещества — газа и аэрозолей. Солнечные спектры, полученные в этих условиях в разные моменты времени, соответствуют разным высотам светила над поверхностью планеты, и, анализируя эти спектры, можно получить вертикальное распределение по высоте различных составляющих атмосферы и минеральной пыли.

Характерной особенностью природы Марса являются пылевые бури разных масштабов, в том числе глобальные. Исследования их развития, условий появления, основных характеристик будут выполняться с помощью телевизионных камер и инфракрасных спектрометров.

Низкое положение перицентра орбиты (до 200 км) позволит проводить прямые измерения состава и температуры атмосферы масс-спектрометром (СССР).

В состав планетного комплекса научной аппаратуры орбитального аппарата войдут также нейтронный спектрометр (СССР, Румыния) и гамма-спектрометр, который включает в себя и датчик гамма-всплесков (СССР, Франция, США).

Плазменные исследования. Первые исследования марсианской магнитосферы и ее взаимодействия с солнечным ветром были выполнены в 1971 — 1974 гг. с борта искусственных спутников Марса— «Марс-2, -3, -4». Были обнаружены ударная волна, шлейф магнитосферы, определены ее форма и размеры, получены указания на существование у планеты собственного магнитного поля и выявлена горячая плазма планетарного происхождения как в самой магнитосфере, так и в набегающем потоке. В результате анализа этих данных была заложена основа современных представлений о внешних оболочках Марса и протекающих в околопланетном пространстве процессах. Однако эти представления носили ограниченный характер, поскольку орбиты космических аппаратов мало соответствовали задачам исследований магнитосферы планеты, а возможности установленной на них научной аппаратуры были недостаточными.

В ходе миссии «Фобос» не удалось выяснить происхождение магнитного поля Марса; его ориентация и напряженность продолжают оставаться неизвестными. Ученые надеются получить ответ на этот вопрос в ходе реализации проекта «Марс-94», выполняя одновременные измерения магнитного поля планеты и течения плазмы в ее магнитосфере и ионосфере.

Как показали исследования, выполненные на «Фобосе-2», в марсианской магнитосфере, как и в земной, хорошо реализуются такие ее структуры, как магнитопауза — граница магнитосферы, и плазменный слой ее хвоста, а также головная ударная волна. Однако выяснить детальную структуру этих границ не удалось из-за сравнительно малого временного разрешения плазменных энерго-масс-спектрометров. В проекте «Марс-94» эту задачу (в сочетании с измерениями магнитного поля, электронов и плазменных волн) будет решать прибор ФОНЕМА —энерго-масс-анализатор ионов и детектор нейтралов (СССР, Великобритания, Ирландия, ЧСФР, Франция).

Невыясненными остались и механизмы атмосферных потерь, обусловленных взаимодействием солнечного ветра с атмосферой и ионосферой планеты и составляющих примерно (2÷5)·10²⁵ ионов в секунду (атмосфера Марса ежесекундно теряет один-два килограмма вещества). Дело в том, что наблюдение этого взаимодействия происходило на сравнительно больших высотах (перицентр орбиты «Фобоса» был на высоте 850 км) и на считанном числе эллиптических орбит. Низкий перицентр орбиты в проекте «Марс-94» позволит не только исследовать происхождение, состав и динамику ионосферной плазмы, но и выяснить ее роль во взаимодействии с солнечным ветром и в атмосферных потерях.

Наконец, плазменные измерения на регулярной основе в течение целого года позволят ответить и на вопросы: есть ли суббури и полярные сияния на Марсе и какова их энергетика, каковы происхождения и динамика магнитосферной плазмы. Все это чрезвычайно важно для сравнительных исследований магнитосфер планет. Дело в том, что, поскольку собственное магнитное поле Марса мало, поток плазмы из горячей солнечной короны (солнечный ветер) должен достигать верхних слоев атмосферы планеты. В результате магнитосфера Марса формируется в условиях взаимодействия солнечного ветра как с магнитным полем планеты, так и с ее атмосферой. Следовательно, она должна существенно отличаться и от гигантских магнитосфер планет с сильным магнитным полем (как, например, у Земли) и от наведенной венерианской магнитосферы, образующейся при взаимодействии солнечного ветра непосредственно с ионосферой планеты.

В состав научной аппаратуры плазменного комплекса орбитального аппарата войдут:

— энергоспектрометр электронов и магнитометры — МАРЕМФ (СССР, Австрия, Бельгия, Великобритания, Венгрия, Германия, Ирландия, США, Франция);

— анализатор ионов и энергетических нейтральных частиц — АСПЕРА (СССР, Швеция, Финляндия, Польша);

— энерго-масс-анализатор ионов и детектор нейтралов — ФОНЕМА (СССР, Великобритания, Ирландия, ЧСФР, Франция);

—ионосферный ионный масс-спектрометр — ДИМИО (СССР, Германия, Франция, США);

— ионный и электронный детектор ионосферной плазмы —МАРИПРОБ (СССР, Бельгия, Венгрия, Ирландия, ЧСФР возможно, также Болгария и США);

— детектор плазменных волн — ЭЛИСМА (Великобритания, Дания, Европейское космическое агентство, Болгария, Италия, Польша, Франция);

— детектор энергичных заряженных частиц — СЛЕД-2 (СССР, Ирландия, Германия, ЧСФР).

АЭРОСТАТНЫЕ ЗОНДЫ

Аэростатная станция устанавливается в десантном модуле, который вводится в атмосферу Марса с эллиптической 12-часовой орбиты. Место ввода аэростата определяется положением перицентра орбиты (точка ввода может отстоять от перицентра по широте всего на несколько градусов).

Аэростатная станция включает в себя оболочку объемом около 6000 м³, наполненную гелием, приборную гондолу (15 кг) и гайдроп (13 кг). Днем аэростат плавает в атмосфере на высоте нескольких километров над поверхностью. Ночью нижняя часть гайдропа ложится на поверхность, а оболочка и верхняя часть гайдропа всегда находятся над поверхностью. Гайдроп, помимо основной функции — предохранять гандолу и аэростат от касания поверхности, используется для размещения тех научных приборов, для работы которых требуется непосредственная близость или контакт с поверхностью. Эта аппаратура имеет свои источники питания и работает автономно. Данные измерений передаются на гондолу аэростата по радиоканалу.

Подъем и опускание аэростата осуществляются за счет нагревания солнечными лучами и, следовательно, увеличения объема гелия днем и охлаждения гелия и уменьшения его объема в вечерние, ночные и утренние часы. Высота поверхности, где аэростат можно ввести в атмосферу, должна быть на один-два километра ниже нулевого уровня поверхности планеты. Возможно, в ходе дальнейшей работы этот диапазон удастся расширить до нулевого уровня. Днем максимальная высота подъема аэростата будет составлять два километра относительно нулевого уровня.

Научные измерения планируется выполнять как в свободном полете, так и с гайдропом на поверхности. Полученная информация после предварительной обработки и сжатия записывается на запоминающее устройство. С него, а также с телевизионных камер (в режиме непосредственной передачи) данные передаются по радиоканалу на борт советского и американского искусственных спутников Марса. Сеансы связи со спутниками проводятся в момент их пролета в зоне видимости аэростата. Аэростатная станция начинает передавать телеметрию на спутник по запросу от него. Всего каждые сутки аэростатная станция должна передать не менее 100 млн. бит информации.

В состав научной аппаратуры гондолы аэростатного зонда войдут: телевизионная система с датчиком Солнца и высотомером (СССР, Франция), метеоблок (СССР, Финляндия, Франция, США), селективные газовые датчики (СССР), инфракрасный спектрометр (СССР, Франция), магнитометр (СССР), аппаратура индукционного зондирования (СССР, Франция), счетчик аэрозолей (СССР), блок обработки и хранения информации (СССР, Венгрия).

В составе научной аппаратуры гайдропа: гамма-спектрометр (СССР, Франция), импульсный радар (СССР, Франция), датчики ускорения и тензор (СССР, США), дозиметр (СССР, Болгария).

Программой подготовки аэростатного эксперимента предусмотрена отработка методики измерений с борта аэростата, свободно плавающего в земной атмосфере. С этой целью в августе 1990 г. в районе г. Суздаля (Владимирская обл.) и г. Истра (Московская обл.) npoводились с участием представителей США, Германии и Франции полеты стандартных пилотируемых аэростатов — воздушных шаров. В ходе полетов опробовались различные способы измерения параметров пограничного слоя атмосферы, исследовалась динамика движения аэростатов в свободном полете, во время взлета и приземления. Отрабатывались также различные модели движения аэростатов и уточнялась методика прогнозирования его траектории. Измерения, выполненные со свободно плавающих аэростатов, сравнивались с данными, полученными от приборов, установленных на привязном аэростате.

Полеты проводились Институтом космических исследований АН СССР совместно с Международным планетным обществом и компанией «Гордон Беннет Баллон Рэйс» (США).

МАЛАЯ ПОСАДОЧНАЯ СТАНЦИЯ

Каждая малая станция имеет свой посадочный модуль, снабженный аэродинамическим тормозным экраном, парашютом и амортизационным устройством. Посадочные модули отделяются от космического аппарата за несколько суток до подлета к Марсу. При этом каждому из них сообщается определенное приращение скорости, с тем чтобы они совершили посадку на различных заранее заданных широтах, включая полярные.

Основная задача сети малых станций (четыре — из расчета по две на каждом аппарате) — прямые измерения метеорологических параметров с целью изучения общей циркуляции атмосферы и прогнозирования метеоусловий для текущей и будущих миссий. Преимущества такой сети — глобальность охвата, возможность сброса метеостанций в особо интересные районы — каньоны, старые русла рек, малодоступные для исследований другими средствами, охват наблюдениями (благодаря их длительности — не менее марсианского года) всех сезонов, включая сезон пылевых бурь. Аппаратура малых станций обеспечит измерение давления, температуры, влажности, скорости ветра, оптической прозрачности атмосферы. Миниатюрный гамма-спектрометр может дать важную информацию о процессах обмена между атмосферой и твердой поверхностью, водой и газом, об элементном составе оседающей на поверхности планеты пыли.

Рассматривается возможность установки на малых станциях сейсмометра и магнитометра. Сейсмометр будет измерять собственные и приливные колебания планеты, что позволит определить уровень сейсмической активности Марса. Задача магнитометра — измерения локального магнитного поля, переходных процессов при изменении внешнего магнитного поля и восстановления по ним картины проводимости пород на различных глубинах.

Малые станции, так же как и аэростат, будут передавать информацию на советский и американский искусственные спутники Марса.

ПЕНЕТРАТОРЫ

Пенетраторы, сброшенные на поверхность Марса, позволят исследовать физико-механические свойства грунта и внутреннее строение планеты.

В отличие от малых станций пенетраторы будут осуществлять посадку с высокой скоростью — порядка 100—150 м/с. Конструкция пенетраторов обеспечивает их заглубление при ударе на несколько метров.

В состав научной аппаратуры пенетратора войдут телевизионная камера (Япония), набор спектрометров (СССР, Германия, ЧСФР), акселерометр и сейсмометр (Великобритания), магнитометр (СССР, Австрия, Болгария).

Пенетраторы вводятся в атмосферу с орбиты искусственного спутника планеты независимо друг от друга после уточнения районов посадки. После задействования всех (четырех) пенетраторов начнет функционировать сеть стационарных станций, обеспечивающих длительные сейсмические измерения.

Таким образом, исследования, выполняемые с помощью аэростатных зондов, малых посадочных станций и пенетраторов, дадут прежде всего данные, которые невозможно получить с аппаратов, обращающихся по орбитам искусственных спутников Марса. Это телевизионная съемка поверхности с разрешением от сантиметров до нескольких десятков сантиметров; спектральные исследования поверхности с пространственным разрешением от нескольких метров до нескольких десятков метров; измерения магнитного поля ниже ионосферы; исследования пограничного слоя атмосферы и его изменчивости в течение суток; индукционное и радарное зондирование поверхности с целью определения характеристик марсианских пород до глубины в несколько сотен метров; исследования элементного состава поверхностного слоя с высоким пространственным разрешением (от нескольких сотен метров до нескольких километров); прямые метеорологические измерения на поверхности планеты в разных широтах, исследования процессов обмена водой и углекислым газом между атмосферой и твердой поверхностью, локальные измерения прозрачности атмосферы; механические, тепловые, химические и электрические исследования поверхности до глубины в несколько метров.

В 1996 г. планируется продолжить исследования Марса и доставить на Землю образцы грунта с его спутника Фобоса. В 1999 г. на поверхности Марса должен начать работу первый в истории планетных исследований самодвижущийся аппарат — марсоход с буровой установкой на борту.

На 2001 г. намечена доставка на Землю образцов марсианского грунта для его детального биохимического и геохимического анализа.

2003—2015 годы — отработка средств марсианской пилотируемой экспедиции.