Вельми успішна місячна програма стала для Китайського національного космічного агентства (CNSA) хорошим тренувальним полем для демонстрації багатьох технологій, які знайдуть своє застосування при вивченні інших планет Сонячної системи. Програма планетарних досліджень Китаю (Planetary Exploration of China, PEC), також відома як Tīanwèn, збирається розпочати цей шлях з Марса.
Червона планета — лише перша зі списку планет-кандидатів у програмі досліджень, тож марсіанська місія Tianwen має порядковий №1. Серед планів CNSA подальше додавання до зазначеного переліку Юпітера та інших планет Сонячної системи. Але перші кроки на цьому амбітному шляху мають відбутися саме на марсіанському ґрунті.
Перший досвід: Tianwen-1
Марсіанську програму Tianwen-1 було затверджено 22 квітня 2016 року. За планом CNSA, космічний корабель мав стартувати 2020 року. Китайці довели свою пунктуальність: 23 липня 2020 року Tianwen-1 був запущений на борту китайської ракети Long March 5 і вирушив у транзитну подорож до Марса тривалістю сім місяців.
Космічний корабель Tianwen-1 складався із двох модулів — орбітального та посадкового. Посадковий був обладнаний термостійким екраном для безпечного входу в марсіанську атмосферу, посадковою платформою, закріпленим на платформі марсоходом і задньою кришкою, оснащеною парашутною системою. Розробкою космічного корабля для місії Tianwen-1 займалася Китайська корпорація аерокосмічної науки та технологій (China Academy of Space Technology, CAST).
У лютому 2021 року Tianwen-1 досяг марсіанської орбіти. Протягом трьох місяців він залишався на орбіті, обираючи найбільш сприятливу зону для посадки в районі басейну Utopia Planitia. Історична для Китаю подія відбулася 14 травня 2021 року. Посадковий модуль відстикувався від орбітального та здійснив м’яку посадку на Марс — так КНР стала третьою (після США та СРСР) країною у світі, що досягла цієї амбітної мети.
Перше фото посадкової платформи і марсохода на поверхні Марса дозволила зробити портативна спускова камера масою менше кілограма, яка теж була закріплена на посадковому модулі і вивільнена на пізніх етапах посадки. Наразі портативна камера є найменшим за вагою рукотворним пристроєм на поверхні Червоної планети.
Основна місія марсіанського ровера полягала у пошуку фактів наявності води на Марсі. Марсологи вважали, що басейн Utopia Planitia, розташований у північній півкулі планети, в минулому міг бути дном марсіанського океану. Якщо це так, під поверхнею марсіанського басейну (3300 км в діаметрі) можуть ховатися підземні заглиблення, заповнені покладами грязьового льоду. На території Utopia Planitia також могли діяти грязьові вулкани, які надзвичайно цінні у питанні пошуку біологічних форм марсіанського життя. Щоб перевірити цю гіпотезу та спробувати виявити залишкові поклади води, Zhurong був оснащений мікрохвильовим георадаром, здатним сканувати ґрунт на 100 м углиб у її пошуках.
До речі, територію басейну Utopia Planitia вже відвідували рукотворні роботи, і тут Китай не став піонером. 1976 року там побував американський космічний апарат Viking-2, який надіслав на Землю фотографії, що підтвердили наявність льоду на Марсі.
Серед планів Zhurong було багато чого, прикро, але роверу не вистачило часу на їхнє втілення. 20 травня 2022 року марсохід поринув у штучну сплячку для економії заряду своїх батарей, з якої досі не вийшов. Офіційні особи, відповідальні за програму Zhurong, тривалий час уперто мовчали щодо статусу ровера, проте пізніше визнали, що апарат, найімовірніше, зазнав критично великого забруднення своїх сонячних панелей піском і пилом, що не дозволяє системі накопичити належний рівень електричного заряду для відновлення роботи. Звісно, все ще є незначні сподівання, що марсіанський вітер здує пил із сонячних панелей марсохода, однак ця вірогідність надто мала.
І навіть попри все це, Zhurong майже в чотири рази перевищив свій 90-денний експлуатаційний термін, провівши на Марсі 358 діб, проїхавши 2 км поверхнею Utopia Planitia і зібравши безліч даних своїми приладами. Вони підтвердили наявність води на Марсі в минулому — щонайменше 400 000 років тому рідка вода ще залишалася на території Utopia Planitia. Проте дізнатися, чи є вона у якомусь вигляді під ґрунтом зараз, Zhurong так і не зміг.
Джерело: CNSA, space.com
За показником тривалості активності на Марсі Zhurong явно поступається низці американських марсоходів, причому навіть минулого покоління. Майже рік роботи китайського ровера непорівнянний з 14-річним рекордом Opportunity (2004-2018 роки) і 11-річною активністю Curiosity (2012-й — до теперішнього часу). Ці марсоходи відстояли титул США як найбільш талановитого конструктора планетарних роботизованих роверів. Принаймні до сьогодні.
Що стосується орбітального модуля, то після розвідки посадкового місця він залишився на марсіанській орбіті, виконуючи роль ретранслятора зв’язку для посадкового модуля і марсіанського ровера, а також роблячи знімки Марса на свою мультиспектральну камеру високої роздільної здатності.
За майже дворічний період своєї активності зонд зміг зібрати десятки гігабайт знімків та наукових даних про Червону планету, отриманих зі своїх бортових приладів: аналізатора енергетичних частинок, зондувального радара поверхні (також заточеного на пошук води), магнітометра та спектрометра для визначення складу мінералів у марсіанській атмосфері. Орбітальний модуль Tianwen-1 допоміг скласти й найбільш повну глобальну мапу Марса з усіх наразі наявних.
Утім, починаючи з 9 січня 2023 року, орбітальна станція Tianwen-1 не змогла передати сигнал на Землю через свій невихід на задану орбіту. Найімовірніше, космічний апарат все-таки був втрачений або зруйнувався в атмосфері планети. Щоправда, офіційних коментарів з боку CNSA щодо статусу Tianwen-1, як і раніше, немає.
Попри поступовий вихід із ладу основних космічних апаратів місії, Tianwen-1 залишиться великим досягненням для китайського космосу. До того ж на підході до запуску нові марсіанські місії. Tianwen-2, яка має стартувати орієнтовно у травні 2025 року, буде націлена на збір та доставку зразків марсіанського ґрунту на Землю. Заплановане CNSA і проведення Tianwen-3 (2030 рік), яка стане резервною місією з доставки 500 г марсіанського ґрунту, якщо другу космічну місію спіткають труднощі. Повернення зразків на Землю відбудеться не раніше липня 2031 року, якщо Tianwen-3 буде запущена вчасно.
Варто дочекатися цих результатів, щоб зрозуміти, куди рухається марсіанська програма, але вже зараз очевидно, що її темпи невпинно зростають.
Космічний GPS: міжзоряна навігація за допомогою пульсарів
Під час реалізації складних планетарних місій, подібних до Tianwen-1, питання навігації космічних апаратів в умовах глибокого космосу відіграють вирішальну роль. Усвідомлюючи це, CNSA доклало великих зусиль у створенні нових технологій, аби полегшити орієнтацію в міжзоряному просторі. Розробкою технології займалася Китайська академія наук (CAS).
На допомогу вченим прийшли пульсари — об’єкти, які чи не найшвидше у Всесвіті обертаються. Рентгенівському випромінюванню, що надходить від цих нейтронних зір, властиві вельми виразний частотний малюнок і висока періодичність модульованого сигналу внаслідок сильного магнітного поля пульсара.
Маючи базу даних з місцезнаходженням пульсарів та відомості про їхні частотні характеристики, можна створити навігаційну систему, яка порівнюватиме фактичне місцезнаходження космічного корабля (за показниками його бортових систем телеметрії та інформацією зі станцій управління космічним польотом на Землі) з даними рентгенівського випромінювання, яке надходить на сенсори корабля від пульсарів. Це дуже схоже на GPS світових масштабів, де в ролі супутників зв’язку, які відстежують ваше місце розташування, виступають пульсари.
Байдуже, що перші дослідження навігаційної технології XNAV (X-ray pulsar-based navigation and timing) проводили ще вчені Європейського космічного агентства (ESA) у 2003 році, саме КНР стала першою країною, яка змогла реалізувати теоретичні знання на практиці.
9 листопада 2016 року Китай запустив у космос 240-кілограмовий супутник XPNAV-1, головною місією якого стало створення навігаційних баз даних на основі м’якого рентгенівського випромінювання, що надходить від 26 пульсарів. XPNAV-1 став першим супутником, що продемонстрував ефективність технології, над якою майже два десятиліття працювало багато вчених у всьому світі. Роком пізніше, 15 червня 2017-го, Китай запустив ще один експеримент, який отримав назву Телескоп жорсткої рентгенівської модуляції (Hard X-ray Modulation Telescope). Він був розроблений фізиками з Інституту високих енергій (при Китайській академії наук). Починаючи з 2018 року, свою версію технології XNAV продемонструвало й NASA, розпочавши експеримент NICER/SEXTANT на борту МКС. Точність навігації за дві доби становила ±7 км.
Технологія XNAV поки що на початковому рівні розробки, та саме за нею криється майбутнє навігації космічних апаратів, причому не лишень у межах Сонячної системи. Методологія має приголомшливу для умов космосу похибку визначення місця розташування космічного апарата у просторі (±10 км), а також є повністю автономною — для навігації достатньо лише рентгенівського обладнання, розміщеного на супутнику. Відсутність необхідності постійного зв’язку із Землею дозволяє запускати віддалені роботизовані місії, що потребують значно меншого рівня наземного контролю.
Своє застосування на Землі знаходить і досвід, здобутий Китаєм у галузі дистанційного зондування Місяця та Марса. Він ліг в основу сузір’їв із моніторингових супутників, які КНР зараз використовує за різним цільовим призначенням, переважно для оцінки й локалізації природних та техногенних катаклізмів.
Легко помітити, що китайська космічна програма має відмінний зворотний зв’язок. Технології, що використовувалися раніше для позаземних місій, знаходять своє застосування на Землі, а системи на кшталт супутникового навігаційного сузір’я Beidou, навпаки, еволюціонують до масштабів навігатора Сонячною системою й далі.
Спостерігаючи за розвитком марсіанської програми КНР, можна побачити, як країна все частіше стоїть у витоків появи нових космічних технологій. Створивши базис космічної інфраструктури, багато в чому подібної до тієї, що вже була в американського космосу, Пекін пішов своїм шляхом. І сьогодні ця дорога дуже відрізняється від тієї, що можна побачити у західному космічному секторі.
Порівняння китайської та американської марсіанських програм
Для кращого розуміння нинішніх тенденцій марсіанських перегонів між США і КНР треба оцінити, де саме зараз перебувають ці дві програми. Не лише у технологічному, а й у фінансовому плані.
Американці на 23 роки випередили КНР у своїй марсіанській ініціативі. Програма дослідження Марса (MEP) була затверджена в США ще в 1993-му. А за чотири роки світ побачив її перший великий успіх — 1997-го перший марсохід США Pathfinder здійснив м’яку посадку на поверхню Марса.
За десятиліття активності MEP американці досягли значних успіхів у вивченні Червоної планети, проте останні 10 років державне фінансування програми неухильно скорочується. Після 40%-вого скорочення бюджету NASA в 2013 році безліч марсіанських ініціатив MEP було згорнуто. Цей згубний для американського іміджу на Марсі процес частково триває й дотепер.
Під великим питанням опинилася реалізація місії з повернення марсіанських зразків (Mars Sample Return, MSR) на Землю. У червні поточного року NASA відмічало, що розрахункові бюджети програми набагато вищі, ніж було заявлено раніше. Спочатку оцінена у $3,8-4,4 млрд, нині підтримка MSR коштує аерокосмічному агентству вже від $8 млрд до $9 млрд.
Однак з такими апетитами не погодилися Палата представників і Сенат, які переважною більшістю проголосували за законопроєкт про витрати на комерцію, юстицію та науку (CJS). Цей закон відповідає за фінансування низки державних наукових агенцій та інститутів. З цієї годівниці харчується і саме NASA. У липні цього року сенатори та члени Палати представників вперше за довгий час проголосували за скорочення бюджету космічного агентства порівняно з минулим роком — $25 млрд замість $25,384 млрд у бюджеті 2022/23 року. Нагадаємо, NASA вимагало $27,2 млрд бюджетного фінансування на 2024 рік.
В історії зі скороченням бюджету NASA постраждало багато цікавих проєктів, але найсерйозніший удар припав саме на програму повернення марсіанських зразків на Землю. Проєкт недоотримав $649,3 млн, необхідних для його розвитку. Ситуація складається таким чином, що якщо космічне управління суттєво не скоротить витрати на MSR у десятирічній перспективі, найімовірніше, проєкт буде остаточно згорнутий. Власні законодавці завдали набагато відчутнішого удару по американському іміджу на Марсі, ніж це зміг зробити китайський космос. Якщо майбутня китайська місія Tianwen-3 (також із доставки зразків з Марса на Землю) все ж таки увінчається успіхом раніше за американську MRS, дехто з американських сенаторів точно має втратити свій портфель.
З огляду на можливу нестачу фінансування на 2024 рік, із чим стикається американська програма дослідження Марса сьогодні, варто відмітити, що молода марсіанська програма КНР зовсім не здається аутсайдером у цій гонитві. У 2022 році Китай витрачав на розвиток свого космічного сектора у шість разів менше за США. Але це не завадило CNSA досягти разючих результатів у реалізації своїх місячних та марсіанських космічних місій.
Достеменно невідомо, скільки грошей КНР витрачає на розвиток своєї марсіанської програми, проте ця цифра точно менша за американські бюджети. У цьому контексті цікаво спостерігати, як у випадку з однією країною суми бюджетів справді відіграють вирішальну роль, а для іншої — є просто додатковим несприятливим фактором, всупереч якому вдається досягати великих успіхів.
