Проект NASA-ESA Mars Sample Return — это предлагаемая флагманская миссия по возвращению образцов с Марса (MSR) [3] для сбора образцов марсианских пород и грунта в 43 небольших, цилиндрических, размером с карандаш, титановых трубках и их возвращения на Землю около 2033 года. [4]
План NASA – ESA , одобренный в сентябре 2022 года, предусматривает возврат образцов с помощью трех миссий: миссии по сбору образцов ( Perseverance ), миссии по извлечению образцов (Sample Retrieval Lander + Mars Ascent Vehicle + Sample Transfer Arm + 2 вертолета класса Ingenuity ) и миссии по возвращению (Earth Return Orbiter). [5] [6] [7] Миссия надеется решить вопрос о том, была ли когда-то жизнь на Марсе .
Хотя предложение все еще находится на стадии проектирования, марсоход Perseverance в настоящее время собирает образцы на Марсе, а компоненты посадочного модуля для сбора образцов проходят стадию испытаний на Земле. [8] [9]
После критического обзора проекта относительно его стоимости и сложности [10] [11] НАСА объявило, что проект «приостановлен» с 13 ноября 2023 года. [12] 22 ноября 2023 года сообщалось, что НАСА сократило миссию по возвращению образцов с Марса из-за возможной нехватки средств. [13] В апреле 2024 года в обновлении НАСА через телеконференцию администратор НАСА подчеркнул сохранение обязательств по извлечению образцов. Однако в соответствии с текущим профилем миссии стоимость в 11 миллиардов долларов была невыполнимой, поэтому НАСА обратится к промышленности и Лаборатории реактивного движения, чтобы сформировать новый, более финансово осуществимый профиль миссии по извлечению образцов, с ожидаемыми ответами к осени 2024 года. [14] [15] [16]
Летом 2001 года Лаборатория реактивного движения (JPL) запросила концепции и предложения миссий от ведущих промышленных групп ( Boeing , Lockheed Martin и TRW ). [17] Научные требования включали не менее 500 граммов (18 унций) образцов, мобильность марсохода для получения образцов на расстоянии не менее 1 километра (0,62 мили) от места посадки и бурение для получения одного образца с глубины 2 метра (6 футов 7 дюймов). Следующей зимой JPL обратилась с аналогичными запросами к некоторым университетским кафедрам аэрокосмической техники ( MIT и Мичиганский университет ).
Также в 2001 году был проведен отдельный набор отраслевых исследований для марсианского взлетного аппарата (MAV) ввиду уникальности и ключевой роли MAV для MSR. [18] На рисунке 11 в этом справочнике обобщена необходимость летных испытаний MAV на большой высоте над Землей, основанная на анализе Lockheed Martin, согласно которому риск провала миссии «чрезвычайно высок», если компоненты ракеты-носителя испытываются только по отдельности.
В 2003 году JPL сообщила, что концепции миссии 2001 года были признаны слишком дорогостоящими, что привело к изучению более доступного плана, принятого двумя группами ученых, новой Руководящей группой по науке MSR и Группой анализа программы исследования Марса (MEPAG). [19] Вместо марсохода и глубокого бурения ковш на посадочном модуле будет копать на глубину 20 сантиметров (7,9 дюйма) и помещать несколько образцов вместе в один контейнер. После пяти лет разработки технологий MAV будет дважды испытан в полете над Землей перед миссией PDR (Preliminary Design Review) в 2009 году.
На основе упрощенного плана миссии, предполагающего запуск с Земли в 2013 году и две недели на Марсе для возвращения в 2016 году, была начата разработка технологий, чтобы с высокой надежностью гарантировать, что потенциальные микробы Марса не загрязнят Землю, а также что образцы с Марса не будут загрязнены биологическими материалами земного происхождения. [20] Контейнер для образцов будет чистым снаружи перед отправлением с Марса, с установкой на MAV внутри «гаража MAV, чистого на Земле».
В 2004 году JPL опубликовала обновление плана 2003 года. [21] MSR будет использовать новую большую систему посадки Sky Crane , разрабатываемую для марсохода Mars Science Laboratory (позже названного Curiosity ). Был сформирован Технологический совет MSR, и было отмечено, что использование марсохода может вернуться в план MSR в свете успеха марсоходов Spirit и Opportunity , которые прибыли в начале 2004 года. 285-килограммовая (628 фунтов) взлетная ракета будет нести 0,5 кг (1,1 фунта) образцов внутри 5-килограммовой (11 фунтов) полезной нагрузки, Orbiting Sample (OS). MAV будет передавать достаточно телеметрии для реконструкции событий в случае сбоя на пути к орбите Марса.
В 2005 году марсоход вернулся к плану MSR с бурением керна в свете результатов открытий Mars Exploration Rover . [22] Целенаправленная разработка технологий начнется до конца 2005 года для миссии PDR в 2009 году, за которой последует запуск с Земли в 2013 году. Сопутствующие технологии в разработке включают потенциальные достижения для прибытия на Марс (навигация и спусковая двигательная установка) и внедрение технологии ракеты-носителя с насосной подачей жидкости в масштабе, достаточно малом для MAV. [23]
В конце 2005 года рецензируемый анализ показал, что траектории подъема на орбиту Марса будут различаться в зависимости от жидкостного или твердотельного двигателя, в основном потому, что небольшие твердотопливные ракетные двигатели работают быстрее, требуя более крутой траектории подъема, чтобы избежать избыточного сопротивления атмосферы, в то время как более медленно горящие жидкостные двигатели могут использовать преимущества более эффективных путей выхода на орбиту. [24]
В начале 2006 года Центр космических полетов имени Маршалла отметил возможность того, что научный марсоход будет хранить образцы на Марсе, а затем вместе с MAV будет отправлен мини-марсоход на посадочном модуле для возврата образцов, и в этом случае либо мини-марсоход, либо научный марсоход доставят образцы на посадочный модуль для загрузки на MAV. [25] Двухступенчатый 250-килограммовый (550 фунтов) твердотопливный MAV будет выбрасываться газом из пусковой трубы с его 5-килограммовой (11 фунтов) полезной нагрузкой, сферической упаковкой диаметром 16 сантиметров (6,3 дюйма), содержащей образцы. Вторая ступень будет отправлять телеметрию, а ее рулевые двигатели будут использовать гидразиновое топливо с присадками. Авторы ожидали, что MAV потребуется провести несколько летных испытаний на большой высоте над Землей.
В рецензируемой публикации 2007 года описывалось тестирование автономного сбора образцов для встречи на орбите Марса. [26] Испытания в свободном плавании проводились на борту самолета НАСА с использованием параболической траектории полета «в невесомости».
В 2007 году Алан Стерн, тогдашний заместитель администратора по науке NASA, решительно выступал за скорейшее завершение MSR и попросил JPL включить кэширование образцов в миссию Mars Science Laboratory (позже названную Curiosity). [27] Группа в Исследовательском центре Эймса разрабатывала устройство для кэширования образцов размером с хоккейную шайбу, которое должно было быть установлено в качестве дополнительной полезной нагрузки на MSL. [28]
В обзорном анализе 2008 года сравнивались восхождения на Марс и восхождения на Луну, и отмечалось, что MAV будет не только технически сложным, но и культурным вызовом для планетарного сообщества, учитывая, что восхождения на Луну были выполнены с использованием известных технологий, и что научные миссии обычно полагаются на проверенные двигатели для коррекции курса и маневров выхода на орбиту, подобно тому, что обычно делают спутники Земли. [29]
В начале 2009 года проектный офис In-Space Propulsion Technology в Исследовательском центре имени Гленна (GRC) НАСА представил рейтинг из шести вариантов МЛА, заключив, что 285-килограммовая (628 фунтов) двухступенчатая твердотопливная ракета с непрерывной телеметрией будет лучшей для доставки 5-килограммового (11 фунтов) пакета образцов на орбиту Марса. [30] Одноступенчатый насосный двухкомпонентный МЛА [31] был отмечен как менее тяжелый и занял второе место.
Позже в 2009 году главный технолог Управления по исследованию Марса в JPL сослался на семинар 2008 года по технологиям MSR в Институте Луны и планет и написал, что особенно сложные технологические проблемы включали MAV, сбор и обработку образцов, а также защиту задней планеты , а затем прокомментировал, что «MAV, в частности, выделяется как система с самым высоким риском разработки, что указывает на необходимость раннего начала», что привело к летным испытаниям перед предварительным рассмотрением проекта (PDR) посадочного модуля, который должен был доставить MAV. [32]
В октябре 2009 года НАСА и ЕКА учредили Совместную инициативу по исследованию Марса для продолжения программы ExoMars , конечной целью которой является «возвращение образцов с Марса в 2020-х годах». [33] [34] Первую миссию ExoMars планировалось запустить в 2018 году [35] [36] с неуказанными миссиями по возвращению образцов в период 2020–2022 годов. [37] Как сообщалось Научному комитету Консультативного совета НАСА (NAC-SC) [38] в начале 2010 года, MEPAG подсчитала, что MSR «обойдется в 8–10 млрд долларов, и очевидно, что НАСА и ЕКА не смогут профинансировать эту сумму самостоятельно». [39] Отмена кэширующего марсохода MAX-C в 2011 году и последующий выход НАСА из ExoMars из-за бюджетных ограничений завершили миссию. [40] Выход был описан как «травматичный» для научного сообщества. [40]
В 2010–2011 годах программа NASA In-Space Propulsion Technology (ISPT) в Исследовательском центре Гленна получила предложения и профинансировала отраслевых партнеров для исследований конструкции MAV с возможностью заключения контракта на начало разработки технологии, а также рассмотрела потребности в двигателях для возвращаемого на Землю космического корабля. [41] Было отмечено, что вывод космического корабля на орбиту Марса, а затем возвращение на Землю, требует большого общего изменения скорости, что привело к выводу, что солнечно-электрический двигатель может снизить риск миссии за счет улучшения запаса массы по сравнению с ранее предполагаемым использованием химического двигателя вместе с аэроторможением на Марсе. [42] Команда ISPT также изучила сценарии летных испытаний MAV над Землей и рекомендовала два летных испытания до миссии MSR PDR, учитывая исторически низкую вероятность первоначального успеха для новых ракет-носителей. [43]
Потенциальный график миссий NASA–ESA предполагал запуски с Земли в 2018, 2022 и 2024 годах для отправки соответственно марсохода для хранения образцов, орбитального аппарата для возврата образцов и посадочного модуля для извлечения образцов для прибытия на Землю в 2027 году, при этом разработка MAV началась в 2014 году после двух лет разработки технологий, определенных в исследованиях по проектированию MAV. [44] Программа ISPT подвела итоги года прогресса в области двигательных технологий для улучшения прибытия на Марс, подъема на Марс и возвращения на Землю, заявив, что первое летное испытание инженерной модели MAV должно было состояться в 2018 году, чтобы успеть к дате запуска посадочного модуля для извлечения образцов в 2024 году. [45]
Исследования отрасли MAV 2011 года были проведены Lockheed-Martin совместно с ATK; Northrop-Grumman; и Firestar Technologies, чтобы доставить образец сферы весом 5 кг (11 фунтов) и диаметром 16 см (6,3 дюйма) на орбиту Марса. [46] Команда Lockheed-Martin-ATK сосредоточилась на твердотопливной первой ступени с твердым или жидким топливом для верхней ступени, оценила массу MAV в диапазоне от 250 до 300 кг (от 550 до 660 фунтов) и определила технологии для разработки по снижению массы. [47] Northrop-Grumman (бывшая TRW) аналогичным образом оценила массу ниже 300 кг, используя жидкое двухкомпонентное топливо с подачей под давлением для обеих ступеней, [48] и имела планы по дальнейшему прогрессу. [49] Firestar Technologies описала одноступенчатую конструкцию MAV, в которой жидкое топливо и окислитель смешаны в одном основном топливном баке. [50]
В начале 2011 года Планетарный научный десятилетний обзор Национального исследовательского совета США , который изложил приоритеты планирования миссий на период 2013–2022 годов, объявил кампанию MSR своей самой приоритетной флагманской миссией на этот период. [51] [52] В частности, он одобрил предложенную миссию Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) в «дескопированной» (менее амбициозной) форме. Этот план миссии был официально отменен в апреле 2011 года. План, отмененный в 2011 году по бюджетным причинам, заключался в том, чтобы NASA и ESA построили по марсоходу и отправили его вместе в 2018 году. [53]
В 2012 году перспективы MSR были еще больше замедлены из-за 38-процентного сокращения бюджета программы NASA по исследованию Марса на 2013 финансовый год, что привело к спорам среди ученых по поводу того, может ли исследование Марса процветать с помощью серии небольших миссий марсоходов. [54] Группа планирования программы по исследованию Марса (MPPG) была созвана в качестве одного из ответов на сокращение бюджета. [55]
В середине 2012 года, за восемь недель до прибытия Curiosity на Марс, Институт Луны и Планет провел спонсируемый NASA трехдневный семинар [56] для сбора опыта и идей от широкого круга специалистов и студентов в качестве вклада, чтобы помочь NASA переформулировать Программу исследования Марса в ответ на последний Планетарный Десятилетний Обзор [51], который отдал приоритет MSR. В сводном отчете отмечалось, что семинар был проведен в ответ на недавние глубокие бюджетные сокращения, было получено 390 заявок, присутствовало 185 человек и согласились, что «достоверные шаги к MSR» могут быть сделаны при сокращенном финансировании. [57] Марсоход MAX-C (в конечном итоге реализованный как Mars 2020 , Perseverance ) в то время считался финансово недоступным, поэтому в отчете отмечалось, что прогресс в направлении MSR может включать миссию орбитального аппарата для тестирования автономного рандеву или посадочный модуль класса Phoenix для демонстрации точной посадки с одновременным доставкой MAV в качестве демонстрации технологии. Семинар в основном состоял из трех обсуждений в группах по темам «Технологии и обеспечивающие возможности», «Наука и концепции миссий», а также «Исследования человека и их предшественники».
Широкие обсуждения были задокументированы Технологической группой [58] , которая предложила инвестиции в улучшенное бурение и марсоходы «маленькое прекрасно» с «акцентом на творческих возможностях снижения массы». Группа заявила, что «функциональная технология MAV не нова», но окружающая среда Марса будет создавать проблемы, и назвала технологии MAV «риском для большинства сценариев возврата образцов любого ценового диапазона». Технология MAV рассматривалась в многочисленных письменных представлениях [59] [60] [61] [62] [63] на семинаре, в одном из которых восхождение на Марс описывалось как «выходящее за рамки проверенных технологий» (скорость и ускорение в сочетании для небольших ракет) и «огромный вызов для социальной системы», ссылаясь на дилемму «Уловки-22», «в которой нет терпимости к новым технологиям, если возврат образцов находится на ближайшей перспективе, и нет финансирования MAV, если возврат образцов находится на далекой перспективе». [61]
В сентябре 2012 года NASA объявило о своем намерении продолжить изучение стратегий MSR, изложенных в MPPG, включая сценарий с несколькими запусками, сценарий с одним запуском и сценарий с несколькими марсоходами, для миссии, которая начнется уже в 2018 году. [64] [65] [66] [67] « Марсоход для сбора образцов » должен был извлечь образцы и доставить их на марсоход (MAV). В июле 2018 года NASA заключило контракт с Airbus на разработку концепции «марсохода для сбора образцов». [68] По состоянию на конец 2012 года было определено, что концепция марсохода MAX-C для сбора образцов может быть реализована для запуска в 2020 году ( Марс 2020 ) в рамках имеющегося финансирования с использованием запасных частей и планов миссий, разработанных для марсохода Curiosity от NASA [69]
В 2013 году исследовательский центр NASA Ames предположил, что SpaceX Falcon Heavy может доставить две тонны полезной нагрузки на поверхность Марса, включая космический аппарат для возвращения на Землю, который будет запущен с Марса одноступенчатым MAV весом в одну тонну, использующим жидкое двухкомпонентное топливо, подаваемое турбонасосами. [70] [71] [72] Успешная посадка марсохода Curiosity прямо на колеса (август 2012 года) побудила JPL по-новому взглянуть на перевозку MAV на задней части марсохода. [73] Полностью управляемый 300-килограммовый MAV (например, двухступенчатый твердотопливный Lockheed 2011 года [46] [47] ) позволит избежать необходимости в марсоходе для доставки туда и обратно. Меньший 150-килограммовый MAV позволит одному марсоходу также включать сбор образцов, используя наследие MSL для снижения стоимости миссии и времени разработки, что возлагает большую часть риска разработки на MAV. 150-килограммовый МЛА можно было бы сделать легче за счет его раскрутки перед разделением ступеней, хотя отсутствие телеметрических данных от стабилизируемой вращением неуправляемой верхней ступени было отмечено как недостаток.
JPL позже представила более подробную информацию о концепции 150-килограммового твердотопливного мини-MAV 2012 года в резюме избранных прошлых усилий. [74] Отсутствие телеметрических данных во время потери Mars Polar Lander в 1999 году сделало акцент на «критических событиях связи», впоследствии примененных к MSR. Затем, после посадки MSL в 2012 году, требования были пересмотрены с целью уменьшения массы MAV. Устойчивость к единичным отказам и непрерывные телеметрические данные на орбите Марса были поставлены под сомнение. Для 500 граммов (1,1 фунта) образцов считалась возможной полезная нагрузка 3,6 кг (7,9 фунта) вместо 5 кг (11 фунтов). Концепция мини-MAV 2012 года имела однострунную авионику, в дополнение к стабилизированной вращением верхней ступени без телеметрии.
В 2014–2015 годах JPL проанализировала множество вариантов для восхождения на Марс, включая твердое, гибридное и жидкое топливо, для полезных нагрузок от 6,5 кг до 25 кг. [75] Четыре концепции MAV, использующих твердое топливо, имели две ступени, в то время как для гибридного и жидкого топлива рассматривались одна или две ступени. Семь вариантов оценивались по десяти атрибутам («показатели качества»). Одноступенчатый гибрид получил наивысшую общую оценку, включая наибольшее количество баллов за снижение стоимости и отдельно за снижение сложности, с наименьшим количеством баллов за технологическую готовность. Второе место занял одноступенчатый жидкостный двухкомпонентный MAV, использующий электрические насосы. Конструкция двухкомпонентного топлива с подачей под давлением оказалась третьей с наибольшим количеством баллов за технологическую готовность. Варианты с твердым топливом получили более низкие баллы, отчасти из-за получения очень малого количества баллов за гибкость. JPL и Исследовательский центр NASA в Лэнгли предупредили, что высокая тяга и короткое время сгорания твердотопливных ракетных двигателей приведут к раннему выгоранию на низкой высоте, при этом для движения по инерции при высоких числах Маха останется значительная часть атмосферы, что повышает проблемы устойчивости и управления. [74] [76] С согласия директора программы «Марс» в январе 2016 года было принято решение сосредоточить ограниченные средства на разработке технологий на продвижении гибридного ракетного летательного аппарата (жидкий окислитель с твердым топливом). [77]
Начиная с 2015 года, новая попытка обеспечения планетарной защиты перенесла функцию обратной планетарной защиты с поверхности Марса на образец Return Orbiter, чтобы «разорвать цепь» в полете. [78] Были изучены и испытаны концепции пайки, упаковки в мешки и плазменной стерилизации, при этом основное внимание с 2016 года уделялось пайке.
В апреле 2018 года НАСА и ЕКА подписали письмо о намерениях , которое может стать основой для миссии по возврату образцов с Марса. [79] [80] Соглашение [81] было датировано 2-й Международной конференцией по возврату образцов с Марса в Берлине, Германия. [82] Программа конференции была заархивирована вместе со 125 техническими заявками, которые охватывали науку об образцах (ожидаемые результаты, выбор места, сбор, курирование, анализ) и реализацию миссии (прибытие на Марс, марсоходы, буровые установки, робототехника для передачи образцов, восхождение на Марс, автономное сближение на орбите, межпланетное движение, прибытие на Землю, планетарная защита). [83] В одной из многочисленных презентаций международная научная группа отметила, что для поиска древней жизни потребуется сбор образцов осадочных пород. [84] Совместная презентация НАСА-ЕКА описала базовую архитектуру миссии, включая сбор образцов марсоходом Mars 2020 , созданным на основе концепции MAX-C , посадочный модуль для извлечения образцов и орбитальный аппарат Earth Return. [85] Альтернативным предложением было использование SpaceX Falcon Heavy для снижения стоимости миссии при доставке большего количества массы на Марс и возврате большего количества образцов. [86] В другом представлении на Берлинской конференции отмечалось, что стоимость миссии может быть снижена за счет усовершенствования технологии MAV, что позволит использовать MAV значительно меньшего размера для заданной полезной нагрузки образцов. [87]
В июле 2019 года была предложена архитектура миссии. [88] [89] В 2019 году авторы JPL обобщили извлечение образцов, включая марсоход для сбора образцов, варианты установки 20 или 30 трубок с образцами в 12-килограммовую (26 фунтов) полезную нагрузку на 400-килограммовом (880 фунтов) одноступенчатом орбитальном (SSTO) MAV, который будет использовать гибридные виды топлива, жидкий окислитель с твердым восковым топливом, которые были приоритетными для разработки двигательных технологий с 2016 года. [90] Тем временем, Центр космических полетов им. Маршалла (MSFC) представил сравнение твердого и гибридного двигателя для MAV. [91] Позднее в 2019 году MSFC и JPL совместно работали над проектированием двухступенчатого твердотопливного МЛА и отметили, что неуправляемая вращающаяся верхняя ступень может уменьшить массу, но в то время от этого подхода отказались из-за возможных изменений орбиты. [92]
В начале 2020 года JPL обновила общий план миссии для орбитального пакета образцов (размером с баскетбольный мяч [93] ), содержащего 30 трубок, показывая варианты твердотельных и гибридных MAV в диапазоне от 400 до 500 килограммов (от 880 до 1100 фунтов). [94] Добавив подробности, MSFC представила проекты как твердотельных, так и гибридных конструкций MAV для целевой массы 400 килограммов (880 фунтов) при старте с Марса для доставки 20 или 30 трубок с образцами в пакете полезной нагрузки весом 14–16 килограммов (от 31 до 35 фунтов). [95] [96] В апреле 2020 года была представлена обновленная версия миссии. [97] Решение о принятии на вооружение двухступенчатой твердотопливной ракеты MAV последовало за проектным анализом цикла 0.0 весной 2020 года, в ходе которого MAV был доработан до конструкции весом 525 кг (1157 фунтов) с наведением для обеих ступеней, что привело к пересмотру неуправляемой второй ступени со стабилизацией вращением для экономии массы. [98]
В октябре 2020 года Независимый наблюдательный совет MSR (IRB) опубликовал свой отчет [99], в котором рекомендовал в целом продолжить программу MSR, а затем в ноябре NASA отреагировало на подробные рекомендации IRB. [100] IRB отметил, что MSR столкнется с восемью первыми проблемами, включая первый запуск с другой планеты, автономное орбитальное рандеву и роботизированную обработку образцов с герметизацией для «разрыва цепи». [101] IRB предупредил, что MAV будет непохож на любую предыдущую ракету-носитель, и опыт показывает, что чем меньше ракета-носитель, тем больше вероятность, что она окажется тяжелее, чем было задумано. [102] Ссылаясь на неуправляемую верхнюю ступень MAV, IRB заявил о важности телеметрии для критических событий, «чтобы обеспечить полезную реконструкцию неисправности во время полета второй ступени». [103] IRB указал, что наиболее вероятная стоимость миссии составит 3,8–4,4 млрд долларов. [104] Как сообщалось в NAC-SC [38] в апреле 2021 года, Консультативный комитет по планетарной науке (PAC) [105] был «крайне обеспокоен высокой стоимостью» MSR и хотел быть уверенным, что астробиологические соображения будут включены в планы для лабораторий по возвращению образцов. [106]
В начале 2022 года MSFC представила конструкцию управляемого-неуправляемого МЛА для снижения массы на 125 кг (276 фунтов) и задокументировала оставшиеся проблемы, включая аэродинамические сложности во время работы первой ступени и набора высоты по инерции, желание разместить гидразиновые рулевые двигатели дальше от центра масс и разделение ступеней без вращения при концевом запуске. [107] Хотя разделение ступеней и последующее раскручивание будут проходить летные испытания, авторы отметили, что было бы идеально провести летные испытания всего МЛА, похожего на полет, но это потребует больших затрат.
В апреле 2022 года Национальная академия США опубликовала отчет о десятилетнем обзоре планетарной науки на 2023–2032 годы, в котором представлены планы и приоритеты на предстоящие десять лет, после многочисленных заседаний комитетов, начавшихся в 2020 году, с рассмотрением более 500 независимо представленных официальных документов, более 100 из которых касались Марса, включая комментарии по науке и технологиям для возврата образцов. [108] В опубликованном документе отмечался план НАСА 2017 года по «целенаправленной и быстрой» кампании по возврату образцов с существенным участием ЕКА, а затем рекомендовалось: «Наивысшим научным приоритетом роботизированных исследовательских усилий НАСА в этом десятилетии должно быть завершение возврата образцов с Марса как можно скорее». [109] В официальных документах Decadal подчеркивалась важность MSR для науки, [110] содержалось описание внедрения MSR, [111] и отмечалось, что MAV недооценивался, несмотря на то, что ему требовались летные характеристики, превосходящие современные возможности малых ракет, [112] требовались постоянные усилия по разработке, [113] и что разработка технологий для меньших MAV может снизить стоимость миссии MSR. [114] На заседаниях комитета Decadal Survey присутствовало множество приглашенных докладчиков, в частности, была представлена презентация от MSR IRB. [115]
По состоянию на март 2022 года были запланированы отдельные посадочные модули для марсохода и MAV, поскольку вместе они были бы слишком большими и тяжелыми для одного посадочного модуля, затем план экономии средств по состоянию на июль состоял в том, чтобы отправить только один посадочный модуль с MAV и положиться на марсоход Perseverance для передачи трубок с образцами на MAV в случае отсутствия марсохода. [5] [116] Два новых легких вертолета на посадочном модуле MAV будут служить резервом для перевозки образцов на Марс. [117]
В начале 2023 года выяснилось, что «вертолет для сбора образцов с Марса» задумывался как минимум с 2021 года командой AeroVironment , которая создала Ingenuity для полетов в разреженной атмосфере Марса. [118] На публичном заседании по бюджету в марте НАСА отметило высокую стоимость MSR и начало собирать вторую независимую экспертную комиссию (MSR IRB-2) для оценки конструкции, графика и необходимого финансирования. [119] IRB-2 начал работать в мае 2023 года и опубликовал свой отчет в сентябре 2023 года. [120] [121]
В январе 2024 года соответствующий предложенный план NASA был оспорен из-за бюджетных и плановых соображений, и был принят новый план капитального ремонта. [122] Американский институт аэронавтики и астронавтики сопоставил проблему стоимости миссии с научной ценностью возвращаемых образцов, отметив, что за стоимость MSR можно было бы провести несколько научных миссий на месте, но, например, электронный микроскоп был бы слишком большим для отправки на Марс. [123] В ответе в марте высокая стоимость миссии описывалась как связанная с размером MAV и его огромного посадочного модуля, предполагая, что инновации могут привести к созданию MAV меньшего размера. [124]
В апреле 2024 года НАСА официально отреагировало на отчет IRB-2, представив отчет MIRT (группа реагирования MSR IRB), в котором отмечалась экономическая ценность МВА меньшего размера. [125] 15 апреля 2024 года администратор НАСА Билл Нельсон и директор научной миссии Никола Фокс объявили об ответе организации на расследование независимой комиссии по обзору от сентября 2023 года, в частности, о выводе о том, что Mars Sample Return при его нынешнем дизайне и стоимости, первоначально оценивавшейся в 7 миллиардов долларов с возвращением на Землю к 2033 году, теперь будет стоить более неприемлемых 11 миллиардов долларов и закончится возвращением на Землю не раньше 2040 года. [14] [16] В ответ Нельсон и Фокс заявили, что НАСА на следующий день направит запросы в промышленность, чтобы предложить альтернативы, которые, вероятно, будут использовать более проверенные архитектуры миссий с более длительным наследием и соответствовать рекомендациям комиссии, с предпочтительными ответами к осени 2024 года. Они также заявили, что потратят 310 миллионов долларов на программу в 2024 финансовом году. [14] 22 апреля состоялось публичное собрание, чтобы объяснить запрос НАСА от 16 апреля на предложения по пересмотру альтернативных архитектур миссий. [126]
В июне 2024 года, после решения агентства открыть миссию для предложений от промышленности, было отобрано 7 фирм для участия в 90-дневном исследовании миссии. [127] [128]
В ходе миссии «Марс-2020» на Землю прибыл марсоход Perseverance , на котором хранятся образцы, которые впоследствии будут доставлены на Землю.
Миссия Mars 2020 высадила марсоход Perseverance в кратере Jezero в феврале 2021 года. Он собрал несколько образцов и упаковал их в цилиндры для последующего возвращения. Jezero, по-видимому, является древним озерным дном, подходящим для отбора проб грунта. [129] [130] [131]
В начале августа 2021 года Perseverance предпринял первую попытку собрать образец грунта, высверлив керн марсианской породы размером с палец. [132] Эта попытка не увенчалась успехом. Было получено отверстие для бурения, о чем свидетельствовали показания приборов и фотография отверстия для бурения. Однако контейнер для образцов оказался пустым, что указывает на то, что отобранная порода была недостаточно прочной для получения твердого керна. [133]
Вторая целевая порода, которая, как было оценено, имела больше шансов дать достаточно прочный образец, была отобрана в конце августа и начале сентября 2021 года. После шлифовки породы, очистки от пыли струями сжатого азота и осмотра полученной поверхности породы 1 сентября было просверлено отверстие. Образец породы, по-видимому, находился в трубке, но его не сразу поместили в контейнер. Была проведена новая процедура оптического осмотра трубки. [134] 6 сентября процесс был завершен, и первый образец был помещен в контейнер. [135]
С 21 декабря 2022 года Perseverance начала кампанию по размещению 10 собранных образцов на резервном складе Three Forks. Эта работа была завершена 28 января 2023 года.
Образцы по типу
После почти марсианского года научных работ марсохода NASA Perseverance и операций по кэшированию образцов для кампании MSR, в настоящее время марсоходу поручено разместить десять образцов, которые он кэшировал с самого начала в хранилище образцов Three Forks, поскольку NASA планирует в конечном итоге вернуть их на Землю, начиная с 19 декабря 2022 года. Это хранилище будет служить резервным местом на случай, если Perseverance не сможет доставить свои образцы. Perseverance размещает образцы на относительно ровной местности, известной как Three Forks, чтобы NASA и ESA могли извлечь их в своих последовательных миссиях в кампании MSR. Оно даже выбрано в качестве резервного места посадки для посадочного модуля Sample Retrieval Lander. Это относительно безопасное место. Оно такое же плоское и гладкое, как поверхность стола.
Сложной системе отбора проб и кэширования Perseverance требуется почти час, чтобы извлечь металлическую трубку из чрева марсохода, рассмотреть ее в последний раз с помощью внутренней Cachecam и сбросить образец с высоты ~0,89 м (2 фута 11 дюймов) на тщательно выбранный участок марсианской поверхности. [153]
Трубки не будут свалены в кучу в одном месте. Вместо этого каждое место сброса трубок будет иметь «рабочую зону» диаметром ~5,5 м (18 футов). С этой целью трубки будут размещены на поверхности в сложном зигзагообразном узоре из 10 точек для 10 трубок, при этом каждый образец будет находиться на расстоянии ~5 м (16 футов) - ~15 м (49 футов) друг от друга вблизи предполагаемого места посадки посадочного модуля для сбора образцов. Для этого плана есть несколько причин, наиболее важной из которых является конструкция вертолетов для сбора образцов . Они предназначены для взаимодействия только с одной трубкой за раз. Наряду с этим они будут выполнять взлеты и посадки, а также движение в этом месте. Чтобы вертолет мог без проблем извлечь образцы, план должен быть выполнен надлежащим образом и рассчитан на более чем два месяца.
До и после того, как Perseverance сбросит каждую трубу, диспетчеры миссии просмотрят множество изображений с камеры SHERLOC WATSON марсохода . Изображения с камеры SHERLOC WATSON также используются для проверки того, что труба не скатилась на путь колес марсохода. Они также следят за тем, чтобы труба не приземлилась таким образом, что она стояла на своем конце (у каждой трубы есть плоский конец, называемый «перчаткой», чтобы ее было легче поднимать будущими миссиями). Это происходило менее чем в 5% случаев во время испытаний с земным близнецом Perseverance OPTIMISM на Марсианской верфи JPL. На случай, если это произойдет на Марсе, миссия написала серию команд для Perseverance, чтобы осторожно опрокинуть трубу частью башни на конце его роботизированной руки.
Эти снимки с камеры SHERLOC WATSON также предоставят команде Mars Sample Return точные данные, необходимые для определения местонахождения трубок в случае, если образцы покроются пылью или песком до того, как их соберут. На Марсе действительно дует ветер, но не такой, как на Земле, поскольку атмосфера на Марсе в 100 раз менее плотная, чем на Земле , поэтому ветры на Марсе могут набирать скорость (самыми быстрыми являются пылевые дьяволы ), но они не поднимают много частиц пыли. Марсианский ветер, безусловно, может поднимать мелкую пыль и оставлять ее на поверхности, но даже если накопится значительное количество пыли, эти изображения помогут вернуть ее обратно. [163] Удачная встреча с пылевым дьяволом может удалить пыль с образцов, как в случае с солнечными панелями марсоходов Spirit и Opportunity .
После того, как вся эта задача по размещению всех 10 образцов будет завершена, Perseverance продолжит свою миссию, пройдя к основанию кратера и взобравшись на вершину Дельты. Марсоход будет проходить вдоль края кратера и, вероятно, закапывать больше трубок, следуя плану взятия одного образца с одной скалы. До сих пор было взято несколько пар образцов, и один образец из пары будет помещен в хранилище, а другая пара останется на борту марсохода. [164] [165]
Миссия Mars Sample Return на ранних этапах проектирования состояла из марсохода ESA Sample Fetch Rover и связанного с ним второго посадочного модуля, а также марсохода Mars Ascent и его посадочного модуля, который доставит на него образцы, откуда образцы будут отправлены обратно на Землю. Но после размышлений и перерасхода средств было решено, что, учитывая ожидаемую долговечность Perseverance , существующий марсоход будет основным средством транспортировки образцов на посадочный модуль Sample Retrieval Lander (SRL).
Миссия по извлечению образцов включает запуск посадочного модуля с пятью солнечными батареями в 2028 году с помощью Mars Ascent Vehicle и двух вертолетов для сбора образцов в качестве резерва для Perseverance . Посадочный модуль SRL примерно размером со средний гараж на две машины, весом ~3375 кг (7441 фунт); предварительно планируется, что он будет иметь ширину 7,7 м (25 футов) и высоту 2,1 м (6,9 фута) при полном развертывании. Масса полезной нагрузки посадочного модуля вдвое больше, чем у марсохода Perseverance , то есть ~563 кг (1241 фунт). Посадочный модуль должен находиться близко к марсоходу Perseverance , чтобы облегчить передачу образцов с Марса. Он должен приземлиться в пределах 60 м (200 футов) от своего целевого места — намного ближе, чем предыдущие марсоходы и посадочные модули. Таким образом, у него будет вторичная батарея для питания посадочного модуля для посадки на Марс. Посадочный модуль будет использовать усовершенствованную версию успешной системы Terrain Relative Navigation от NASA, которая помогла безопасно посадить Perseverance . Новая усовершенствованная система видения посадочного модуля, среди прочих усовершенствований, добавит вторую камеру, высотомер и улучшенные возможности использования тяги для точной посадки. Планируется приземлиться недалеко от Три-Форкс в 2029 году.
Марсоход Mars 2020 и вертолеты доставят образцы на посадочный модуль SRL. Для извлечения образцов и их загрузки в капсулу возврата образцов в подъемном аппарате будет использоваться манипулятор SRL длиной ~2,40 м (7,9 фута). [5] [166]
В кампании MSR задействованы вертолеты класса Ingenuity , которые будут собирать образцы с помощью крошечной роботизированной руки и перемещать их в SRL на случай возникновения проблем у марсохода Perseverance .
Mars Ascent Vehicle (MAV) — это двухступенчатая твердотопливная ракета , которая доставит собранные образцы с поверхности Марса на орбитальный аппарат Earth Return. В начале 2022 года Lockheed Martin получила контракт на партнерство с Центром космических полетов имени Маршалла NASA в разработке MAV и двигателей от Northrop Grumman . [170] Планируется, что его катапультируют вверх на высоту 4,5 м (15 футов) над посадочным модулем — или 6,5 м (21 фут) над поверхностью Марса, в воздух непосредственно перед его воспламенением, со скоростью 5 м (16 футов) в секунду, чтобы исключить вероятность возникновения проблем со стартом, таких как скольжение или наклон SRL из-за собственного веса ракеты и выхлопа при старте. Передняя часть будет подброшена немного сильнее задней, в результате чего ракета будет направлена вверх, к марсианскому небу. Таким образом, система Vertically Ejected Controlled Tip-off Release (VECTOR) добавляет небольшое вращение во время запуска, поднимая ракету вверх и от поверхности. [171] MAV выйдет на орбиту высотой 380 километров (240 миль). [172] Он останется уложенным внутри цилиндра на SRL и будет иметь теплозащитное покрытие. Первая ступень ракеты (SRM-1) будет гореть в течение 75 секунд. Двигатель SRM1 может вращаться, но большинство сопел твердотопливных ракетных двигателей с вращающимся шарниром спроектированы таким образом, что не могут выдерживать экстремальные холода, которые испытает MAV, поэтому команде Northrop Grumman пришлось придумать что-то, что могло бы: современное шаровое сопло с запертой линией со сверхзвуковым разъемом. [ требуется цитата ] После сгорания SRM1 MAV будет оставаться в режиме свободного полета примерно 400 секунд. В течение этого времени аэродинамический обтекатель MPA и вся первая ступень отделятся от транспортного средства. После разделения ступеней вторая ступень начнет раскручиваться с помощью боковых малогабаритных двигателей RCS. Вся вторая ступень будет неуправляемой и стабилизированной вращением со скоростью примерно 175 об/мин. Достигнув целевой скорости вращения, вторая ступень (SRM-2) загорится и будет гореть примерно 18–20 секунд, поднимая перицентр и делая орбиту круговой. [173] Планируется, что вторая ступень будет стабилизирована вращением для экономии веса вместо активного наведения, в то время как образцы с Марса приведут к неизвестному распределению массы полезной нагрузки. [172]Стабилизация вращения позволяет ракете быть легче, поэтому ей не придется нести активное управление на всем пути к орбите. После сгорания SRM2 вторая ступень будет двигаться по инерции до 10 минут, пока не возникнет остаточная тяга от SRM2. Затем включатся боковые небольшие двигатели торможения вращением, снижая скорость вращения до менее 40 об/мин. После достижения целевой орбиты MAV даст команду MPA выбросить контейнер для образцов на орбите (OS). Отработанная вторая ступень MAV останется на орбите, транслируя размещенный сигнал радиомаяка в течение 25 дней. Это поможет в захвате OS ERO. [167]
Запуск MAV запланирован на 2028 год на борту посадочного модуля SRL. [5]
ERO — это космический аппарат, разработанный ЕКА. [174] [175] Он включает в себя систему захвата, удержания и возврата (CCRS), созданную НАСА, и пакет связи Electra UHF. Он встретится с образцами, доставленными MAV на низкой орбите Марса (LMO). Планируется, что орбитальный аппарат ERO будет весить ~7000 кг (15000 фунтов) (самый большой орбитальный аппарат Марса) и будет иметь солнечные батареи, что обеспечит размах крыльев более 38 м (125 футов). Эти солнечные панели являются одними из самых больших, когда-либо запущенных в космос. [176]
Планируется, что ERO будет запущен на ракете Ariane 6 в 2027 году и прибудет на Марс в 2029 году, используя ионный двигатель и отдельный химический двигательный элемент, чтобы постепенно достичь надлежащей орбиты 325 км (202 мили), а затем встретиться с находящимся на орбите образцом. [177] Радиомаяк второй ступени MAV предоставит диспетчерам информацию, необходимую для того, чтобы ESA Earth Return Orbiter достаточно приблизился к находящемуся на орбите образцу, чтобы увидеть его через отраженный свет и захватить его для возвращения на Землю. Для этого ERO будет использовать высокопроизводительные камеры для обнаружения находящегося на орбите образца на расстоянии более 1000 км (620 миль). После «захвата» ERO будет непрерывно отслеживать его с помощью камер и LiDAR на протяжении всей фазы встречи. После выравнивания с контейнером для образца система захвата, удержания и возврата включится, откроет крышку захвата и включит датчики захвата. Затем орбитальный аппарат ЕКА будет продвигаться к контейнеру с образцом со скоростью около 1–2 дюймов (2,5–5 сантиметров) в секунду, чтобы догнать и «проглотить» его. После обнаружения того, что контейнер с образцом находится внутри, система захвата, удержания и возврата быстро закроет его крышку. Таким образом, орбитальный аппарат извлечет и запечатает канистры на орбите и с помощью роботизированной руки, созданной НАСА, поместит запечатанный контейнер в капсулу для входа на Землю. 600-килограммовый (1300 фунтов) CCRS будет отвечать за тщательную стерилизацию внешней поверхности орбитального образца и двойную герметизацию его внутри EES, создавая вторичный барьер сдерживания, чтобы образцы были надежно изолированы и невредимы для максимального научного возврата. Он поднимет свою орбиту, сбросит двигательный элемент (включая ~500 кг (1100 фунтов) оборудования CCRS, которое бесполезно после стерилизации образцов) и вернется на Землю в течение окна перехода с Марса на Землю в 2033 году. [176]
ERO измерит общую дозу радиации, полученную в течение всего полета. Результаты помогут контролировать состояние космического корабля и предоставят важную информацию о том, как защитить исследователей-людей в будущих путешествиях на Марс. [176]
.jpg/1280px-OSIRIS-REx_Sample_Return_(NHQ202309240002).jpg)
Система захвата/удержания и возврата (CCRS) будет размещать образец в EEV. EEV вернется на Землю и приземлится пассивно, без парашюта. Примерно за неделю до прибытия на Землю и только после успешного завершения полной проверки безопасности системы космический аппарат ERO будет настроен на выполнение фазы возвращения на Землю. Когда орбитальный аппарат будет в трех днях пути от Земли, EEV будет отделен от основного космического аппарата и полетит по точной траектории входа в заранее определенное место посадки. Вскоре после отделения сам орбитальный аппарат выполнит серию маневров, чтобы выйти на орбиту вокруг Солнца, но никогда не вернется на Землю. Планируется, что песок пустыни на испытательном и учебном полигоне в Юте и амортизирующие материалы в аппарате защитят образцы от ударных сил. [178] [179] [175] Планируется, что EEV приземлится на Земле в 2033 году. [180]
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В этой статье использован текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .агентство заявляет, что с помощью запасных частей и планов миссий, разработанных для марсохода Curiosity от NASA, оно может построить и запустить марсоход в 2020 г. и остаться в рамках текущих бюджетных нормативов.
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
