Весьма успешная лунная программа стала для Китайского национального космического агентства (CNSA) хорошим тренировочным полем, где было продемонстрировано множество технологий, которые найдут применение при изучении других планет Солнечной системы. Программа планетарных исследований Китая (Planetary Exploration of China, PEC), также известная как Tīanwèn, намеревается начать этот путь с Марса.
Красная планета — всего лишь первая в списке планет-кандидатов в программе исследований, поэтому марсианской миссии Tianwen присвоен порядковый №1. В планах CNSA — дальнейшее включение в указанный перечень Юпитера и других планет Солнечной системы. Но сделать первые шаги на этом амбициозном пути предстоит именно на марсианском грунте.
Первый опыт: Tianwen-1
Марсианская программа Tianwen-1 была утверждена 22 апреля 2016 года. По плану CNSA, космический корабль должен был стартовать в 2020 году. Китайцы проявили пунктуальность: 23 июля 2020 года Tianwen-1 был запущен на борту китайской ракеты Long March 5 и отправился в свое транзитное путешествие к Марсу, продлившееся семь месяцев.
Космический корабль Tianwen-1 состоял из двух модулей — орбитального и посадочного. Посадочный был оборудован термоустойчивым экраном для безопасного входа в марсианскую атмосферу, посадочной платформой, закрепленным на платформе марсоходом и задней крышкой, оснащенной парашютной системой. Разработкой космического корабля для миссии Tianwen-1 занималась Китайская корпорация аэрокосмической науки и технологий (China Academy of Space Technology, CAST).
К февралю 2021 года Tianwen-1 достиг марсианской орбиты. В течение трех месяцев он оставался на орбите, выбирая наиболее благоприятную посадочную зону в районе бассейна Utopia Planitia. Историческое для Китая событие состоялось 14 мая 2021 года. Посадочный модуль отстыковался от орбитального и совершил мягкую посадку на Марс — так КНР стала третьей (после США и СССР) страной в мире, достигнувшей этой амбициозной цели.
Первое фото посадочной платформы и марсохода на поверхности Марса позволила сделать портативная спускаемая камера массой менее килограмма, которая также была закреплена на посадочном модуле и высвобождена на поздних этапах посадки. На сегодняшний день портативная камера является наименьшим по весу рукотворным объектом на поверхности Красной планеты.
Основная миссия марсианского ровера заключалась в поиске фактов наличия воды на Марсе. Марсологи полагали, что бассейн Utopia Planitia, расположенный в северном полушарии планеты, в прошлом мог быть дном марсианского океана. Если это так, под поверхностью марсианского бассейна (3300 км в диаметре) могут скрываться подземные углубления, заполненные залежами грязевого льда. На территории Utopia Planitia также могли находиться грязевые вулканы, представляющие большую ценность в вопросе поиска биологических форм марсианской жизни. Чтобы проверить эту гипотезу и попытаться обнаружить остаточные залежи воды, Zhurong снабдили микроволновым георадаром, способным сканировать грунт на 100 м вглубь в ее поисках.
Кстати, территорию бассейна Utopia Planitia уже посещали рукотворные роботы, и здесь Китай не стал пионером. В 1976 году там побывал американский космический аппарат Viking-2, который прислал на Землю фотографии, подтверждающие наличие на Марсе льда.
В планах Zhurong было много чего, жаль, что у ровера было слишком мало времени на их воплощение. 20 мая 2022 года марсоход погрузился в искусственную спячку для экономии заряда своих батарей, из которой не вышел по сей день. Официальные лица, ответственные за программу Zhurong, долго хранили молчание касательно статуса ровера, но позднее признали, что аппарат, скорее всего, столкнулся с критически высоким засорением песком и пылью своих солнечных панелей, что не позволяет системе накопить должный уровень электрического заряда для возобновления работы. Конечно, все еще есть вероятность того, что марсианский ветер сдует пыль с солнечных панелей марсохода, однако она ничтожно мала.
И даже несмотря на это, Zhurong почти в четыре раза превысил свой 90-дневный эксплуатационный срок, проведя на Марсе 358 суток, проехав 2 км по поверхности Utopia Planitia и собрав множество данных своими приборами. Они подтвердили наличие воды на Марсе в прошлом — как минимум 400 000 лет назад жидкая вода еще оставалась на территории Utopia Planitia. Однако узнать, есть ли она в каком-либо виде под грунтом сейчас, Zhurong так и не сумел.
Источник: CNSA, space.com
По показателю длительности активности на Марсе Zhurong явно уступает ряду американских марсоходов, причем даже прошлого поколения. Почти год работы китайского ровера не идет ни в какое сравнение с 14-летним рекордом Opportunity (2004-2018 годы) и 11 годами продолжающейся активности Curiosity (2012-й — до настоящего времени). Эти марсоходы отстояли титул США как наиболее талантливого конструктора планетарных роботизированных роверов. По крайней мере, на текущий момент.
Что касается орбитального модуля, то после разведки посадочного места он остался на своей марсианской орбите, выполняя роль ретранслятора связи для посадочного модуля и марсианского ровера, а также делая снимки Марса на свою мультиспектральную камеру высокого разрешения.
За почти двухлетний период активности зонд смог собрать десятки гигабайт снимков и научных данных о Красной планете, полученных со своих бортовых приборов: анализатора энергетических частиц, зондирующего радара поверхности (также заточенного на поиск воды), магнитометра и спектрометра для определения состава минералов в марсианской атмосфере. Орбитальный модуль Tianwen-1 помог и в составлении наиболее полной глобальной карты Марса из всех существующих на сегодняшний день.
Впрочем, начиная с 9 января 2023 года, орбитальная станция Tianwen-1 не смогла передать сигнал на Землю ввиду своего невыхода на заданную орбиту. Вероятнее всего, космический аппарат все-таки был утерян или разрушился в атмосфере планеты. Правда, официальных комментариев со стороны CNSA касательно статуса Tianwen-1 по-прежнему нет.
Несмотря на постепенный выход из строя основных космических аппаратов миссии, Tianwen-1 останется большим достижением для китайского космоса. К тому же на подходе к запуску новые марсианские миссии. Tianwen-2, которая должна стартовать, ориентировочно, в мае 2025 года, будет нацелена на сбор и доставку образцов марсианского грунта на Землю. В планах CNSA и проведение Tianwen-3 (2030 год), которая станет резервной миссией по доставке 500 г марсианского грунта, если вторую космическую миссию постигнут неприятности. Возвращение образцов на Землю случится не ранее июля 2031 года, если Tianwen-3 будет запущена в срок.
Стоит дождаться этих результатов, чтобы выяснить, куда движется марсианская программа, но уже сейчас очевидно, что ее темпы неизменно нарастают.
Космический GPS: межзвездная навигация с помощью пульсаров
В ходе реализации сложных планетарных миссий, подобных Tianwen-1, вопросы навигации космических аппаратов в условиях глубокого космоса играют решающую роль. Понимая это, CNSA приложило немало усилий в создании новых технологий, чтобы облегчить ориентацию в межзвездном пространстве. Разработкой технологии занялась Китайская академия наук (CAS).
На помощь ученым пришли одни из самых быстровращающихся объектов во Вселенной — пульсары. Рентгеновское излучение, исходящее от этих нейтронных звезд, имеет очень узнаваемый частотный рисунок и высокую периодичность модулированного сигнала по причине сильного магнитного поля, свойственного пульсарам.
Обладая базой данных с месторасположением пульсаров и сведениями об их частотных характеристиках, можно создать навигационную систему, которая будет сравнивать фактическое местоположение космического корабля (согласно показателям его бортовых систем телеметрии и информации со станций управления космическим полетом на Земле) с данными рентгеновского излучения, поступающего на сенсоры корабля от пульсаров. Это очень похоже на GPS вселенских масштабов, где в роли спутников связи, отслеживающих ваше местоположение, выступают пульсары.
И хотя первые исследования навигационной технологии XNAV (X-ray pulsar-based navigation and timing) проводили еще ученые Европейского космического агентства (ESA) в 2003 году, именно КНР стала первой страной, сумевшей реализовать теоретические знания на практике.
9 ноября 2016 года Китай запустил в космос 240-килограммовый спутник XPNAV-1, главной миссией которого стало создание навигационной базы данных на основе мягкого рентгеновского излучения, исходящего от 26 пульсаров. XPNAV-1 стал первым спутником, продемонстрировавшим работоспособность технологии, над которой почти два десятилетия трудилось множество ученых по всему миру. Годом позже, 15 июня 2017-го, Китай запустил еще один эксперимент, получивший название Телескоп жесткой рентгеновской модуляции (Hard X-ray Modulation Telescope). Он был разработан физиками из Института высоких энергий (при Китайской академии наук). Начиная с 2018 года, свою версию технологии XNAV продемонстрировало и NASA, начав эксперимент NICER/SEXTANT на борту МКС. Точность навигации за два дня составила ±7 км.
Технология XNAV пока в самом начале своей разработки, но именно за ней кроется будущее навигации космических аппаратов, причем не только в пределах Солнечной системы. Методология имеет потрясающую для условий космоса погрешность для определения местоположения космического аппарата в пространстве (±10 км), а также является полностью автономной — для навигации достаточно рентгеновского оборудования, размещенного на спутнике. Отсутствие необходимости постоянной связи с Землей позволяет запускать отдаленные роботизированные миссии, требующие гораздо меньшего уровня наземного контроля.
Свое применение на Земле находит и опыт, полученный Китаем в области дистанционного зондирования Луны и Марса. Он лег в основу созвездий из мониторинговых спутников, которые КНР сейчас использует по разному целевому назначению, в основном для оценки и локализации природных и техногенных катаклизмов.
Легко заметить, что китайская космическая программа имеет отличную обратную связь. Технологии, используемые ранее для внеземных миссий, находят свое применение на Земле, а системы по типу спутникового навигационного созвездия Beidou, напротив, эволюционируют до масштабов навигатора по Солнечной системе и далее.
Наблюдая за развитием марсианской программы КНР, можно увидеть, как страна все чаще стоит у истоков появления новых космических технологий. Создав базис космической инфраструктуры, во многом подобной той, что уже имелась у американского космоса, Пекин пошел своим путем. И сегодня эта дорога очень отличается от той, что можно увидеть в западном космическом секторе.
Сравнение китайской и американской марсианских программ
Чтобы получить лучшее представление о последних тенденциях марсианской гонки между США и КНР, следует оценить, где теперь находятся эти две программы. Не только в технологическом, но и в финансовом плане.
Американцы на 23 года опередили КНР в своей марсианской инициативе. Программа исследования Марса (MEP) была утверждена в США еще в 1993-м. А спустя четыре года мир увидел ее первый крупный успех — в 1997-м первый марсоход США Pathfinder совершил мягкую посадку на поверхность Марса.
За десятилетия активности MEP американцы добились множества успехов в изучении Красной планеты, однако последние 10 лет государственное финансирование программы неуклонно сокращается. После 40%-ного сокращения бюджета NASA в 2013-м подавляющее большинство марсианских инициатив MEP были свернуты. Этот губительный для американского имиджа на Марсе процесс отчасти продолжается и сегодня.
Под большим вопросом оказалась реализация миссии по возврату марсианских образцов (Mars Sample Return, MSR) на Землю. В июне текущего года NASA уже отмечало, что расчетные бюджеты программы гораздо выше, чем было заявлено ранее. Первоначально оцененная в $3,8-4,4 млрд, сегодня поддержка MSR обходится аэрокосмическому агентству уже от $8 млрд до $9 млрд.
Но с такими аппетитами не согласились Палата представителей и Сенат, которые подавляющим большинством проголосовали за законопроект о расходах на коммерцию, юстицию и науку (CJS). Этот закон отвечает за финансирование ряда государственных научных агентств и институтов. Из этой же кормушки питается и само NASA. В июле этого года сенаторы и члены Палаты представителей впервые за долгое время проголосовали за сокращение бюджета космического агентства по сравнению с прошлым годом — $25 млрд вместо $25,384 млрд в бюджете 2022/23 года. Напомним, NASA запрашивало $27,2 млрд бюджетного финансирования на 2024 год.
В истории с сокращением бюджета NASA пострадало много интересных проектов, но самый серьезный удар пришелся именно на программу по возврату марсианских образцов на Землю. Проект недополучил $649,3 млн, необходимых на свое развитие. Ситуация складывается таким образом, что если космическое управление существенно не сократит расходы на MSR в десятилетней перспективе, проект, скорее всего, будет окончательно свернут. Собственные законодатели нанесли гораздо более ощутимый удар по американскому имиджу на Марсе, чем это сумел сделать китайский космос. Если будущая китайская миссия Tianwen-3 (также по доставке образцов с Марса на Землю) все-таки увенчается успехом раньше американской MRS, кое-кто из американских сенаторов точно должен будет лишиться своего портфеля.
Принимая во внимание возможный недостаток финансирования на 2024 год, с которым сталкивается американская программа исследования Марса сейчас, стоит сказать, что молодая марсианская программа КНР отнюдь не кажется аутсайдером в этой гонке. В 2022 году Китай тратил на развитие своего космического сектора в шесть раз меньше, нежели США. Однако это не помешало CNSA добиться поразительных результатов в реализации своих лунных и марсианских космических миссий.
Доподлинно неизвестно, сколько денег КНР тратит на развитие своей марсианской программы, но эта цифра точно меньше американских бюджетов. В таком контексте интересно наблюдать, как в случае с одной страной суммы бюджетов действительно играют решающую роль, а для другой — являются просто дополнительным отягчающим фактором, вопреки которому удается достигать крупных успехов.
