Миссия экзомарс 2020

Миссия «ExoMars 2020»

Миссия «ExoMars 2020» будет включать в себя европейский марсоход и российскую поверхностную платформу. Марсоход будет искать данные о потенциальных признаках существования жизни на Марсе. В частности, будут оцениваться среды, в которых могла присутствовать жидкая вода. Также марсоход будет иметь сверло. Которое сможет проникать на глубину до 2 метров ниже поверхности.

Марсоход и поверхностная платформа будут запущены на Марс вместе, внутри европейского несущего модуля. При спуске на поверхность российский модуль отделится от носителя и опустит на поверхность Марса марсоход и поверхностную платформу. Для этого маневра будут использоваться парашюты и двигатели. Это позволит снизить скорость снижения при посадке.

После посадки марсоход покинет посадочную платформу. И начнет перемещаться по Марсу в поисках органического материала. Поверхностная платформа (которая является стационарной), как ожидается, будет работать около года. Платформа будет фотографировать посадочную площадку, следить за местной погодой, исследовать внутренний состав Марса. Также будут проводиться исследования атмосферы. Платформа будет анализировать распределение и подземных вод вокруг посадочной площадки. Это позволит произвести сравнение с данными, полученными от TGO.

Задачи миссии

«Главная наша задача – опустить марсоход на поверхность на участке, имеющем высокий потенциал для поиска хорошо сохранившегося органического материала, особенно из самой ранней истории планеты», – заявило ЕКА.

«Марсоход определит физические и химические свойства марсианских образцов, в основном из подповерхностного слоя. Подземные образцы, скорее всего, будут иметь сохранившиеся биомаркеры. Поскольку слабая марсианская атмосфера обеспечивает небольшую защиту от радиации и фотохимии на поверхности. Образцы будут браться с разных глубин, максимум до двух метров».

В январе 2018 года пакет инструментов для обнаружения жизни успешно нашел микробы в канадской Арктике. Ее можно считать аналогом условий Марса. Испытания продолжаться уже непосредственно на марсоходе. Интеграция приборов в марсианскую лабораторию ожидается в 2019 году.

Участок для посадки выберут примерно за шесть месяцев до запуска миссии. Первоначально предполагалось, что марсоход будет запущен в 2018 году. Рабочая группа по отбору посадочных мест ESA рекомендовала совершить посадку в регионе Oxia Planum. ESA вновь пришлось делать выбор посадки из-за двухлетней задержки миссии. В 2017 году Oxia Planum и Mawrth Vallis были выбраны в качестве полуфиналистов. Оба региона имеют множество древних камней и возможных районов, где процветали древние микробы.

Второй этап: марсоход и станция на Марсе

Старт второго этапа «ЭкзоМарса» первоначально планировался на 2018 год, однако затем запуск отложили на два года. Именно данный этап считается основным в проекте и призван помочь найти ответ на вопрос, есть ли жизнь на Марсе.

В рамках второй миссии планируется на перелетном модуле, разработанном ESA, доставить на Марс российскую посадочную платформу и европейский марсоход. Перелетный модуль обеспечивает перелет по маршруту Земля – Марс и вход десантного модуля в атмосферу планеты со скоростью примерно 5800 м/с. Десантный модуль осуществляет торможение в атмосфере и спуск на поверхность Марса посадочного модуля в составе посадочной платформы и марсохода.

Инфографика: Роскосмос

Защитит российский десантный модуль при вхождении в марсианскую атмосферу специальный экран из «космического» композита – легкого и прочного материала, который называется стеклосотопласт. Такой материал выдерживает сильную вибрацию, экстремальные температуры и при этом мало весит. Производят защитный экран на предприятии Ростеха – ОНПП «Технология». «Защитный экран имеет достаточно сложную конструкцию, это своего рода многослойный пирог, который чередуется слоями углепластика и сотового заполнителя, и в дальнейшем он еще покрывается теплозащитой», – рассказывает Анатолий Свиридов, директор НПК «Композит» ОНПП «Технология».

Фото: АО «НПО Лавочкина»  

На предприятии заявляют, что работы по проекту «ЭкзоМарс-2020» идут по плану. Разработаны крупногабаритные конструкции из полимерных композиционных материалов для десантного модуля и посадочной платформы. Всего программой предусмотрено создание четырех комплектов – трех для испытаний и «летный» экземпляр.

Кроме того, уже изготовлены 62 панели терморегулирования и каркасы солнечных батарей, в том числе 12 каркасов и шесть панелей терморегулирования, которые необходимы для функционирования посадочной платформы на поверхности Марса после съезда марсохода.

Далее марсоход и посадочная платформа будут работать автономно, осуществляя передачу телеметрической и научной информации на Землю через орбитальный модуль TGO, который уже на околомарсианской орбите.

Шестиколесный европейский ровер массой около 350 кг рассчитан на работу на Марсе в течение семи земных месяцев. Он может проходить до 100 м в сутки и должен проехать за это время несколько километров. Этот марсоход впервые будет искать молекулярно-биологические признаки в подповерхностном слое Красной планеты.

После съезда марсохода российская посадочная платформа массой 828 кг начнет работать как долгоживущая автономная научная станция. Планируется, что она проработает на Марсе около года. На ее борту будет установлен комплекс научной аппаратуры для изучения состава и свойств поверхности планеты. Всего будут установлены 13 научных приборов, в том числе два европейских – LARA (радиоэксперимент для исследований внутреннего строения Марса) и HABIT (эксперимент по поиску потенциально обитаемых зон, жидкой воды, исследований УФ-излучения и температуры).

«Trace Gas Orbiter» и «Schiaparelli»

Цель орбитального аппарата миссии (TGO) – поиск второстепенных и не слишком обильных компонентов атмосферы Марса. Марсианская атмосфера в основном состоит из двуокиси углерода. Но концентрации других молекул плохо изучены. Например, метан – признак биологической или геологической активности – получил разные оценки концентрации при анализе данных, полученных с помощью разных наземных телескопов.

Марсоход «Curiosity» тоже производил измерения уровня метана на поверхности. Но более глубокий взгляд на Марс, который произойдет с использованием TGO, даст ученым лучшее представление о источнике или источниках обнаруженного на Красной планете метана.

«Trace Gas Orbiter» и «Schiaparelli» полетели в космос вместе 14 марта 2016 года с помощью ракеты-носителя «Протон» с космодрома Байконур, Казахстан. «Trace Gas Orbiter» успешно вышел на орбиту Марса 19 октября 2016 года, В тот же день, при попытке опуститься на поверхность Марса «Schiaparelli» потерпел неудачу. Исследование ESA, произведенное в 2017 году, показало, что крушение «Schiaparelli» произошло из-за сбоя, произошедшего при обмене данных.

Миссия «ЭкзоМарс»

Программа «ЭкзоМарс» обрела особое значение в июне 2018 года. Когда марсоход НАСА «Curiosity» снова показал наличие под поверхностью Марса древних органических молекул. Были обнаружены содержащие углерод вещества, которые могут быть связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов.

Эхолот «ЭкзоМарс» может заглянуть глубже под поверхность Марса. Туда, где излучение и ветер не смогут разрушить хрупкие образцы. Возможно, там будет обнаружено еще больше органических веществ. «ЭкзоМарс» будет оснащен специальным набором инструментов, предназначенных для поиска органических молекул. В частности, он будет искать липиды и органические вещества, которые имеют хиральность. И определять количественное соотношение «левых» и «правых» молекул. Значительное превышение количества одних над другими может означать, что они производятся живыми организмами. Поскольку в случае их неорганического происхождения их должно быть примерно поровну.

Ученым также достаточно интересна ситуация с выбросами метана, наблюдаемыми на поверхности Марса марсоходом «Curiosity». Метан может быть признаком активности микроорганизмов. Или же признаком геологической активности. Об этом трудно судить по нескольким наблюдениям. TGO миссии «ЭкзоМарс» как раз и предназначен для поиска метана. И других второстепенных составляющих атмосферы Марса в глобальном масштабе. Ожидается, что со временем орбитальный аппарат предоставит информацию о всех видах газов, составляющих атмосферу Марса. А также их распространенности и изменении уровней по сезонам и по регионам.

Орбитальный аппарат

Главной научной целью автоматического исследовательского аппарата TGO (Trace Gas Orbiter) будет всесторонне изучение метана и других газов, которые присутствуют в атмосфере Марса в малой концентрации (менее 1%), однако являются свидетельством биологической или геологической активности.

Исследования метана прошлых лет, проведенные при помощи наземных и космических обсерваторий, имели противоречивые результаты. Ученые сходятся во мнении, что метан в марсианской атмосфере присутствует в малозначительном объеме. Несмотря на это, поскольку в геологических масштабах времени его период существования очень короткий, обнаружение даже небольшого количества этого газа свидетельствует о наличии источника в настоящее время. Большая часть метана на Земле обязана своим появлением органической жизни, однако газ может иметь и химическое происхождение. Он образуется в ходе различных геологических процессов, включающих, например, реакцию окисления железа.

Детекторы, установленные на TGO, будут способны с высоты 400 км определять содержание в атмосфере Марса метана, паров воды, диоксида азота и ацетилена с точностью на три порядка выше, чем в предыдущих исследованиях. Ученые рассчитывают, что им удастся найти выделить места на поверхности планеты, являющиеся источником газа, чтобы в дальнейшем к ним можно было отправить дополнительные исследовательские станции.

Дополнительная задача TGO – обеспечение связи наземных миссий с Землей. Космический аппарат будет служить ретранслятором для аппарата EDM в ходе посадки (в том числе передавая критически важную информацию в реальном времени), и для тяжелого марсохода миссии «Экзомарс-2018».

Двигательная установка	двухкомпонентная реактивная двигательная система с тягой двигателя 424 Н для выхода на орбиту Марса и маневрирования
Энергоснабжение	арсенид-галиевые солнечные панели площадью 20 кв. м. общей мощностью 2 кВт
Энергоснабжение	два блока литиево-ионных батарей емкостью 5100 Вт-ч (180 А-ч)
Связь с Землей	2200-миллиметровая узконаправленная антенна X-диапазона с механизмом вращения по двум осям и 65-ваттный усилитель
Связь с поверхностью	предоставленные НАСА передатчики УКВ-диапазона с одной спиральной антенной
Система обеспечения теплового режима	обеспечивает три режима температурных условий для научных инструментов (+X, +Z и -Z)
Масса научной нагрузки	до 135,6 кг
Система отделения EDM	вращательно-выталкивающая

Научные инструменты

• NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) – спектрометр, способный проводить съемку в большом диапазоне волн (от инфракрасного до ультрафиолетового), для определения компонентов марсианской атмосферы.
• ACS (Atmospheric Chemistry Suite) – блок из трех инфракрасных инструментов для исследования химического состава и структуры атмосферы. Его диапазон пересекается с диапазоном NOMAD, расширяя его инфракрасную полосу. Кроме того, он будет производить съемку Солнца. Прибор разрабатывается ИКИ РАН.
• CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) – камера с разрешением 5 м на пиксель для съемки поверхности Марса с возможностью получения стереоснимков. Предполагается использовать ее для анализа геологического строения планеты в местах, являющихся источниками метана.
• FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) – нейтронный детектор для изучения распределения водорода в атмосфере и поиска отложений водяного льда неглубокого залегания. Разработка ИКИ РАН.

Trace Gas Orbiter — Searching for signature gases in the Martian atmosphere

The Trace Gas Orbiter (TGO) spacecraft was designed by ESA, while Roscosmos provided the launch vehicle, a Proton rocket. A scientific payload with instruments from Russia and Europe is accommodated on the TGO to achieve its scientific objectives. The TGO is performing detailed, remote observations of the Martian atmosphere, searching for evidence of gases of possible biological importance, such as methane and its degradation products. The instruments on the orbiter are carrying out a variety of measurements to investigate the location and nature of sources that produce these gases. The nominal scientific mission started in April 2018 and will run for almost two years. During November 2016 and March 2017, there were two opportunities to perform some science measurements, primarily for the purposes of calibrating the science instruments. The Trace Gas Orbiter will also be used to relay data for the 2022 rover mission of the ExoMars programme.

ExoMars Trace Gas Orbiter and Schiaparelli during vibration testing. Credit: ESA–S. Corvaja, 2015	ExoMars 2016: Trace Gas Orbiter and Schiaparelli. Credit: ESA/ATG medialab

Ground stations

ESA Malargüe tracking station

Primary communication services for ExoMars will be provided by ESA’s tracking station network – Estrack – a global system of ground stations providing links between satellites in orbit and mission control at ESOC, Darmstadt, Germany. The core Estrack network comprises nine stations in seven countries.

On launch day, contact between mission controllers and ExoMars/TGO is maintained via the Italian space agency’s 2 m dish antenna at Malindi, Kenya, and by ESA’s 15 m stations at Maspalomas, Spain, and Kourou, French Guiana.

Subsequently, as the craft embarks on its journey to Mars, tracking and telecommanding duties are handed over to ESA’s ‘Big Iron’ – the 35 m-diameter deep-space tracking stations at Malargüe, Argentina, and New Norcia, Australia. These two stations can provide 24 hr/day communication coverage, so long as the spacecraft is visible from the southern hemisphere.

ЭКЗОМАРС-2016. ОПРЕДЕЛЕН ПОРЯДОК РАБОТЫ МИССИИ НА ПЕРВЫЕ МЕСЯЦЫ НАУЧНОЙ ФАЗЫ

В соответствии с программой миссии «ЭкзоМарс-2016» подходит к концу начатый в марте 2017 года этап торможения с помощью атмосферы, когда на каждом витке космический аппарат TGO слегка задевал атмосферу Марса на высоте около 110 км. За счет этого, не тратя топливо, аппарат уменьшал период обращения и высоту апоцентра орбиты.

Эволюция орбиты аппарата TGO к марту 2018 года (с) ESA

Начавшийся с продолжительности в 24 часа, сегодня период орбиты уже менее трёх часов. Итоговая орбита должна быть круговой с высотой около 400 км над поверхностью Марса и периодом два часа. В середине марта будут проведены последние маневры, после которых аппарат будет готов к штатной работе.

Первые две недели (вторая половина марта 2018) отведены на проверочные включения аппаратуры с управлением непосредственно через центр управления полетами MOC (Mission Operational Center) в Европейском центре космических операций (European Space Operations Centre, ESOC), в Дармштадте, Германия. Аппарат будет все время находиться в надирной ориентации — наиболее комфортной для себя, когда поля зрения приборов направлены вниз, на поверхность планеты. Проводить затменные эксперименты в это время не планируется. В это время приборы спутника, в том числе изготовленные в Институтом космических исследований — АЦС и ФРЕНД – будут включены в тестовом режиме. Планируется провести необходимые калибровки, а затем приступить к рутинным научным измерениям. С учётом ориентации спутника, в первые недели после тестов и калибровок российский спектрометрический комплекс АЦС сразу же перейдет к климатологическим надирным измерениям. Прибор ФРЕНД, для которого надирная ориентация является основной рабочей, начнёт измерения водорода в грунте Марса в обычном режиме.

В последующие четыре недели (апрель 2018) управление научной аппаратурой будет вестись с участием научного наземного сегмента миссии «ЭкзоМарс»: SOC – Science Operational Center, ИКИ, Москва, Россия, и Европейского центра космической астрономии (European Space Astronomy Centre, ESAC), Мадрид, Испания. В этот период ориентация аппарата будет также поддерживаться лишь для надирных измерений.

С конца апреля 2018 года космический аппарат миссии — TGO (Trace Gas Orbiter) — начнет регулярно проводить измерения в режиме солнечных затмений (не менее восьми в день), которые позволят измерить состав марсианской атмосферы с рекордной точностью, а прибор ФРЕНД продолжит измерения нейтронного потока на орбите, что позволит создать карты распространения водорода в грунте Марса высочайшего разрешения. Команды российских приборов АЦС и ФРЕНД в Институте космических исследований РАН с нетерпением ждут первых данных.

***

Проект «ЭкзоМарс» — совместный проект РОСКОСМОСА и Европейского космического агентства по исследованию Марса, его поверхности, атмосферы и климата с орбиты и на поверхности планеты. Он откроет новый этап исследования космоса для Европы и России.

TGO data relay

TGO Electra radios

TGO features a sophisticated radio relay capability provided by NASA. The Electra system is a telecommunications package that acts as a communications relay and navigation aid. It comprises twin ultra-high frequency (UHF) radios and will provide communication links between Earth and craft on Mars, rovers or landers.

TGO will provide daily data relay services to NASA’s Curiosity and MER-B (Opportunity) rovers currently on the surface, as well as to the InSight lander and ESA’s ExoMars 2018 rover. It will also support Russia’s 2018 lander and future NASA rovers.

ESA is now establishing a new European Relay Coordination Office (ERCO) at ESOC to manage scheduling, planning and day-to-day control of the service, which will also employ ESA, NASA and Russian ground stations for download, receipt and distribution of the scientific data.

ERCO will make use of sophisticated new techniques to conduct relay coordination on a semi-automated basis, making it the central European hub for relay of precious scientific data between landers and orbiters at Mars.

ExoMars spacecraft and payload

The TGO spacecraft, designed by ESA, builds on the heritage accumulated from earlier ExoMars mission scenarios.

Spacecraft

• Dimensions: 3.2 × 2 × 2 m with solar wings spanning 17.5 m tip-to-tip providing approximately 2000 W of power
• Launch mass: 4332 kg (including 112 kg of science payload and 600 kg Schiaparelli)
• Propulsion: Bipropellant, with a 424 N main engine for Mars orbit insertion and major manoeuvres
• Power: In addition to power generated by the solar wings, two lithium-ion batteries cover eclipses, with about 5100 Wh total capacity
• Communication: 65 W X-band system with 2.2 m-diameter high-gain antenna and 3 low-gain antennas for communication with Earth; Electra UHF transceivers (provided by NASA) with a single helix antenna for communication with surface rovers and landers

Payload

In addition to delivering the Schiaparelli EDM module, TGO carries a suite of four instruments to serve its prime science mission:

• NOMAD: Nadir and Occultation for MArs Discovery
  NOMAD combines three spectrometers, two infrared and one ultraviolet, to perform high-sensitivity orbital identification of atmospheric components, including methane and many other species. 
• ACS: Atmospheric Chemistry Suite
  This suite of three infrared instruments will help scientists investigate the chemistry and structure of the martian atmosphere. 
• CaSSIS: Colour and Stereo Surface Imaging System
  A high-resolution camera (5 m/pixel) capable of obtaining colour and stereo images over a wide swathe. 
• FREND: Fine Resolution Epithermal Neutron DetectorThis neutron detector will map hydrogen on the surface down to a metre, revealing deposits of water-ice near the surface.

РОСКОСМОС. EXOMARS-2016 — РОССИЙСКИЕ СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ ОТРАБОТАЛИ ШТАТНО

14 марта 2016 года в 23:13 мск космический аппарат российско-европейской миссии ExoMars-2016 («ЭкзоМарс-2016») штатно отделился от разгонного блока «Бриз-М». Орбитальный модуль Trace Gas Orbiter (TGO, «Трейс Газ Орбитер») и демонстрационный посадочный модуль Schiaparelli («Скиапарелли») продолжили дальнейший полет к Марсу.

Старт ракеты-носителя «Протон-М» с РБ «Бриз-М» и КА миссии ExoMars-2016 состоялся 14 марта 2016 года в 12:31 мск с космодрома БАЙКОНУР. Российские средства выведения отработали штатно. Предприятия РОСКОСМОСА обеспечили успешный старт миссии: ракета-носитель «Протон-М» и разгонный блок «Бриз-М» изготовлены в Центре им.М.В.Хруничева, пуск РН осуществили специалисты ФГУП «ЦЭНКИ», российским координатором проекта выступило НПО им.С.А.Лавочкина. Научный координатор проекта со стороны России — Институт космических исследований РАН.

После выхода космического аппарата на орбиту Марса в середине октября 2016 года демонстрационный спускаемый модуль Schiaparelli отработает технологию посадки на поверхность Красной планеты. Орбитальный модуль Trace Gas Orbiter будет изучать малые газовые примеси атмосферы и распределение водяного льда в грунте Марса. Два из четырех инструментов на борту аппарата Trace Gas Orbiter созданы в России в Институте космических исследований РАН: АЦС и ФРЕНД. Орбитальный модуль также будет ретранслировать данные с модуля Schiaparelli и марсохода следующего этапа миссии.

Научные задачи миссии ExoMars-2016:

• Исследовать состав атмосферы и климат планеты с орбиты, в том числе ответить на вопрос о том, сколько в атмосфере содержится метана и как он распределен.
• Изучить возможный вулканизм Марса с орбиты, измеряя содержание вулканических газов в атмосфере.
• Изучить с орбиты распространенность воды в подповерхностном слое.
• Изучить внутреннее строение и климат Марса с его поверхности.
• Определить, являются ли условия на поверхности Марса теоретически пригодными для существования жизни.
• Разведать районы посадки.
• Провести мониторинг радиационной обстановки на пути к Марсу, на орбите и поверхности планеты.
• Создать объединенный с ЕКА наземный комплекс приема данных и управления межпланетными миссиями.

Проект реализуется в два этапа с запусками космических аппаратов в 2016 и 2018 годах. Второй этап проекта предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы с европейским автоматическим марсоходом на борту. На марсоходе будет установлен комплекс научной аппаратуры, в который входит два российских прибора: ИСЕМ и АДРОН-МР.

Главная цель исследований с борта марсохода — непосредственное изучение поверхности и атмосферы Марса в окрестности района посадки, поиск соединений и веществ, которые могли бы свидетельствовать о возможном существовании на планете жизни.

Эксперименты проекта ExoMars соответствует ранее планировавшимся исследованиям на борту российских аппаратов («Марс-96», «Фобос-Грунт» и перспективного проекта «Марс-НЭТ»), а также решают принципиально новые научные и технологические задачи.

Российская научная аппаратура ExoMars-2016:

ФРЕНД/FREND — детектор эпитепловых нейтронов высокого разрешения (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector). Эксперимент ФРЕНД (FREND) предназначен для регистрации и картографирования потоков нейтронов от поверхности Марса с высоким пространственным разрешением.

Потоки нейтронов от поверхности планеты позволяют судить о содержании водорода и, как следствие, воды и водяного льда в приповерхностном слое глубиной до одного метра. Карты распространенности водорода необходимы, чтобы более точно выбирать места посадки будущих марсианских миссий.

АЦС/ACS — Комплекс для изучения химии атмосферы (Atmospheric Chemistry Suite). Задача эксперимента — исследование атмосферы и климата Марса с орбиты его искусственного спутника, поиск малых составляющих атмосферы, в том числе метана. Предполагается, что этот газ может свидетельствовать о возможной биологической активности на планете.

ACS включает три спектрометра и блок электроники. Спектрометры будут зондировать атмосферу Марса в разных режимах: солнечных затмений, при котором свет Солнца проходит через атмосферу Марса и регистрируется прибором, а также дневных и ночных наблюдений в надир, когда регистрируется отраженный солнечный свет и собственное излучение планеты. По характерным особенностям полученных спектров можно судить, какие вещества составляют атмосферу, определять их концентрацию и распределение по высоте.

Русские инструменты

Инфракрасный спектрометр для ExoMars (ISEM), будет установлен на мачте вездехода. Он будет использоваться для оценки количественной минералогической характеристики и дистанционной идентификации минералов, связанных с водой. Работая с PanCam, ISEM будет способствовать выбору подходящих образцов для дальнейшего анализа другими инструментами.

ADRON-RM-нейтронный спектрометр для поиска подземных водных льдов и гидратированных минералов. Adron будет использоваться в сочетании с WISDOM для изучения под поверхности и поиска подходящих участков бурения и сбора образцов.

Fourier-спектрометр, установленный на мачте, будет получать измерения температуры.

Кроме того, “Роскосмос” предоставит радиоизотопные нагреватели (РХУ), чтобы марсоход мог держать свои электронные компоненты в тепле ночью.