Где-то весной 2025 года мне попалась на Хабре статья уважаемого Марата Айрапетяна @space_marat «Через тернии к Красной планете: почему космонавты круче роверов и когда наконец можно будет сажать картошку на Марсе». Марат прослеживает и хорошо иллюстрирует историю развития колёсных марсоходов, из которых в настоящее время остаются на ходу два: «Кьюриосити» (прибыл на Марс в район кратера Гейла в августе 2012 года) и «Персеверанс» (начал работу на Марсе в феврале 2021 года в районе кратера Езеро). Кроме того, в течение 2021-2022 годов на марсианской равнине Утопия действовал китайский марсоход «Чжужун». Ранее на Хабре также выходил перевод статьи «Как управлять марсоходом» от уважаемого @Seleditor Эта статья вышла в период, когда «Персеверанс» ещё был на пути к Марсу и, можно сказать, анонсирует возможности этого новейшего марсохода. Вообще, тема марсоходов и марсианского вертолёта «Индженьюити» на Хабре пользуется популярностью, но в основном как источник космических новостей и запоминающихся картинок. При этом почему-то почти не рассмотрен вопрос о том, как эти машины готовят к полёту – ведь марсоход нужно тестировать, а проводить такие испытания и корректировки можно только на Земле. Об этом давайте поговорим под катом.

Марс и его аналоги

В обозримом будущем Марс останется единственной скалистой планетой, на которой можно обустроить человеческие колонии, приближенные по условиям хотя бы к антарктической станции Восток. Поэтому Марс вызывает повышенный интерес, и в истории беспилотных экспедиций на поверхность планеты прослеживаются три технологические волны: спускаемые аппараты, роверы (марсоходы) и вертолёт. Вот примерная хронология развития орбитальных и спускаемых марсианских экспедиций:

Основные задачи, которые решаются на Марсе, связаны с топографической и геологической разведкой, поисками воды, а также с поисками следов марсианской жизни и возможных удобных локаций для будущих колоний. Данные о крупномасштабных географических объектах и явлениях на Марсе получены в основном с орбитальных аппаратов, среди наиболее интригующих — признаки чрезвычайно солёных озёр под южной полярной шапкой Марса (впрочем, согласно другой интерпретации, такую картинку может давать глинистый грунт). Работа марсоходов – более тонкая, точечная и связана в большей степени с отбором проб и замером приповерхностных физических характеристик, например, атмосферного давления, радиации и минерального состава марсианского реголита. Поскольку марсоход кроме обычной съёмки совершает ещё множество других операций, а управлять им в режиме реального времени невозможно (сигнал от Земли до Марса идёт около 22 минут), марсоходы необходимо тестировать на Земле. Для этого обычно конструируются испытательные машины-дублёры, а также применяется цифровое симуляционное тестирование. В ходе таких тестов проверяется навигация ровера, работа его приборов, длительность работы без дополнительной подзарядки, износоустойчивость и рабочий ресурс, а также слаженность работы всех механизмов. Программный код для управления марсоходами – отдельная тема, об этом удивительном софте был один из моих первых переводов в хаброформате.  

Для подобных опытов на Земле искусственно создаются или специально отыскиваются такие полигоны, где условия максимально приближены к искомым, в данном случае — марсианским. Такие районы называются «земными аналогами», а проекты – «аналоговыми миссиями», довольно подробно о них рассказано здесь, особенно в статье Долгова, Иродова и Коренного на с. 68. Аналоговой считается такая среда, которая хотя бы по одному физическому показателю сближается с моделируемым внеземным ландшафтом (засушливость, солёность, pH, температура, т.д.). Такие аналоги найдены в разных регионах Земли, в том числе, в Европе, но мы подробно остановимся на некоторых из тех, где тестируются марсианские роверы.

Марсианская пустынная исследовательская станция (MDRS) расположена в США в штате Юта, эксплуатируется «Марсианским обществом». Она известна изоляционными экспериментами, в том числе, с участием российских учёных, но дополнительно располагает к полевым испытаниям ещё и потому, что территория вокруг лагеря очень похожа на марсианскую пустыню и в геологическом отношении.

Сразу два подобных аналога обустроено на острове Девон в Канадском арктическом архипелаге — это действующий с 1997 года проект «Хотон-Марс», развёрнутый в кратере Хотон, а также Flashline Mars Arctic Research Station, эксплуатируемый вышеупомянутым «Марсианским обществом». Кроме того, одним из лучших марсианских аналогов является чилийская пустыня Атакама, самое засушливое место на Земле. В этой пустыне есть места, где дождя не было на протяжении нескольких миллионов лет. Рассказ о подобных аналоговых площадках — отдельная тема, к которой надеюсь когда-либо вернуться. Ниже сосредоточусь на аналоговом тестировании марсоходов.

Mars Yard, тестовая площадка в Калифорнии

В своё время у нас выходила подробная статья, состоявшая из ответов водителя марсохода Curiosity на вопросы читателей Хабра. Среди прочего там описана одна из самых высокотехнологичных искусственных аналоговых площадок «Mars Yard», обустроенная на территории JPL (Лаборатории Реактивного Движения, ЛРД) в Пасадене, штат Калифорния. В интернете есть обзорные видео об этой площадке, из которых я порекомендую следующее. В нём упоминается Maggie – (почти) полный тестовый аналог марсохода Curiosity.

Такие тестовые близнецы были у роверов каждого поколения (напомню, что «Spirit» и «Opportunity» были представителями одной и той же модели), и три из них изображены на этой фотографии:

На переднем плане находится маленькая «Marie Curie», аналог марсохода «Sojourner», высаженного на Марсе в 1997 году и проработавшего с 4 июля по 27 сентября. Слева мы видим «Dusty», аналог «Spirit» и «Opportunity», который отличается от марсианских собратьев тем, что работает от кабеля, а не от солнечных батарей (батареи можно считать бутафорскими). Справа стоит «Maggie», полнофункциональный аналог «Curiosity».

Есть такой аналог и у «Perseverance» — он называется «Operational Perseverance Twin for Integration of Mechanisms and Instruments Sent to Mars», сокращённо — OPTIMISM.

OPTIMISM — это полномасштабный и полнофункциональный аналог Perseverance, на котором специалисты NASA могут оценить потенциальные риски для колёсного робота на Марсе. Напомню, что Perseverance действует в районе кратера Езеро (Jezero) на востоке экваториальной области Марса, и этот кратер выглядит так (чёрной линией показан путь, пройденный Perseverance по состоянию на лето 2023 года, а белой — планируемое продолжение маршрута)

Поэтому OPTIMISM на полигоне катается по крутым склонам, бурит валуны, извлекает керны и запечатывает взятые образцы в металлических трубках-пробирках. Езеро мог быть одним из последних поверхностных водоёмов на Марсе, поэтому работа Perseverance связана с поисками жизни и органики — отсюда такие требования к герметичности взятых образцов. В преддверии экспедиции Perseverance на сайте «Элементы» выходила подробная статья о кратере Езеро под авторством уважаемого Владислава Стрекопытова — её я рекомендую прочитать целиком, но для затравки упомяну, что в этом кратере хорошо просматриваются формы рельефа, характерные для старой дельты, а также действительно нашлись карбонатные отложения и следы ароматических органических соединений.

Остановлюсь на комплекте приборов, установленных на Perseverance. Он подобран во многом для точности при характеристике камней, отличающихся по минеральному составу, а также для поиска признаков жизни. В частности, на ровере установлена «дальнозоркая» мультиспектральная стереоскопическая камера MASTCAM-Z, при помощи которой удобно выискивать такие образцы марсианских камней, на которых могли бы остаться древние биомаркеры. Также на Perseverance установлен прибор PIXL для рентгеновской литохимии; он позволяет проверять, какие химические элементы входят в состав образцов, видимых невооружённым глазом. Наконец, интересен рамановский ультрафиолетовый спектрометр  SHERLOC, предназначенный для поиска биосигнатур — именно он и нашёл на склонах кратера Езеро ароматическую органику.

Площадка Mars Yard принципиально не меняется от экспедиции к экспедиции, поэтому OPTIMISM, подобно другим роверам, карабкается на склоны, избегает препятствий и учится прокладывать маршруты на местности. Протестированные им маневры и собранную информацию периодически отправляют Perseverance при очередном сеансе связи.

Разумеется, работа на Mars Yard не отражает всех условий работы на Марсе, и этому я подробно вернусь ниже при описании другой тестовой площадки, расположенной в штате Юта. В частности, для Mars Yard специально подобраны грунт и камни, напоминающие по составу и плотности марсианский реголит и валуны, но невозможно знать наверняка, с какими именно объектами придётся работать Perseverance. Сами операции бурения, взятия образцов и запечатывания их в пробирках также не так просты и монотонны, как может показаться. На полную мощность работать опасно, так как бур может сломаться или застрять. Колёса у тестового марсохода также отличаются от колёс Perseverance с поправкой на то, что гравитация на Земле сильнее, чем на Марсе. Всех случаев не предусмотришь. Так, сотрудница Mars Yard Рохас-Трухильо рассказывала, что всегда существует опасность, что ровер окажется на чрезмерно рыхлом склоне и упадёт в кратер, особенно, если попробует бурить в непосредственной близости от себя. OPTIMISM специально ставили на тестовой площадке под большим уклоном и пробовали бурить, в том числе, используя манипулятор в качестве дополнительной опоры — и только после этого отправляли Perseverance команду, разрешающую такие рискованные манипуляции.

Девонский кратер

На этой фотографии показана исследовательская станция «Хотон-Марс Проджект» (HMP) на острове Девон, которая начала работать в 1997 году и в настоящее время поддерживается в основном NASA. Кроме NASA здесь ведут свои проекты также различные некоммерческие, академические и промышленные участники.

Остров Девон входит в состав Канадского арктического архипелага, он расположен выше 75-й широты. Площадь Девона составляет более 55 000 кв. км, он является самым крупным островом, где отсутствует постоянное население.

На острове проверяются биологические гипотезы, в частности, какие экосистемы могут устойчиво существовать в настолько бесплодном грунте и в условиях почти марсианских температур, а также обкатываются роверные технологии для работы на Луне и Марсе и проводится тренировка специалистов, из которых в будущем может быть сформирован экипаж для пилотируемой марсианской экспедиции.

Наряду с сухими долинами Мак-Мёрдо в Антарктиде (где проводились испытания первых спускаемых марсианских аппаратов «Викинг»), Девон является одним из тех мест на Земле, условия в которых наиболее приближены к Марсу. Это холодная, сухая, скалистая пустыня, лишённая какой-либо растительности кроме лишайников. Там всегда очень ветрено, есть вечные льды, ударные кратеры, а также очень высокий уровень ультрафиолета. 

В HMP в полевых условиях тестировались манипуляторы для марсоходов, аналоги самих марсоходов, а также разнообразные приборы — камеры, спектрометры, радары, инструменты для взятия образцов. Там же ведутся испытания, которые могут дать информацию для будущих пилотируемых марсианских экспедиций. В частности, именно на Девоне впервые испытывались скафандры для Марса, первые долговременные экспедиции, в которых астронавт управляет ровером в режиме реального времени, телекоммуникационный софт для общения с группой, работающей в скафандрах вдали от лагеря, ставились опыты, связанные с космической телемедициной. Дополнительно на Девоне проводились изоляционные эксперименты, подбиралась планировка марсианской исследовательской станции, изучались поведенческие аспекты, важные для сосуществования в рамках «марсианской вахты». Наконец (может быть, это тема для отдельной статьи на Хабре), именно на Девоне была впервые испытана умная перчатка астронавта (ASG), совместно разработанная специалистами HMP, компанией Collins Aerospace, занимающейся производством оборудования для космонавтики, а также норвежским стартапом Ntention. Перчатка предназначена для дистанционного управления дронами.

В середине 2010-х аналогичные умные перчатки разрабатывались безотносительно космонавтики, предполагалось, что они могут найти применение, например, в медицине. Но после 2019 года, когда наступила эпоха массового применения дронов, в облегающую перчатку стали вшивать умные волокна, которые через систему сенсоров улавливают жесты и транслируют их в команды для дронов. Например, перчаткой можно указать направление, в котором должен лететь дрон, развернуть его, на лету корректировать курс аппарата и даже приказывать ему уклоняться от препятствий.

KREX-2 и станция Юнгай в пустыне Атакама

Астробиология как поиск внеземной жизни — это непростая научная дисциплина, предмет у которой отсутствует до тех пор, пока внеземная жизнь не найдена. Однако, астробиология основана на логичных экстраполяциях и пока сосредоточена на изучении самых суровых экологических ниш на Земле, исследовании экстремофильных микроорганизмов и попытках интерпретации органики внеземного происхождения, которая, безусловно, существует. Ещё один важный аспект астробиологии — поиск признаков, по которым внеземные микроорганизмы можно было бы уверенно отличать от инвазивных земных, например, занесённых на Марс на колёсах марсоходов. Curiosity и Perseverance — это марсоходы, которые, в отличие от своих предшественников, приспособлены к астробиологическим поискам и систематически ими занимаются. Однако именно перед запуском Perseverance в 2017-2019 годах технологии астробиологического поиска обкатывались на аналоговых площадках, подобных тем, о которых я рассказал выше.

Астробиологические исследования проводятся в более щадящих экологических нишах, однако, как можно более древних с геологической точки зрения, засушливых, ветренных и пустынных — то есть, относительно похожих на Марс. Хорошим «полигоном» для таких исследований является пустыня Атакама на севере Чили

Это самое засушливое место на Земле. Некоторые метеостанции в Атакаме ни разу не фиксировали дождь, есть основания полагать, что с 1570 по 1971 год осадков на территории пустыни не было. В Атакаме действует исследовательская организация ARADS («Atacama Rover Astrobiology Drilling Studies») под патронажем NASA, представители которой обкатывают там роверы, функционально аналогичные марсоходам Spirit и Opportunity. Работа ведётся в центральной части пустыни, в одном из самых засушливых её районов под названием «станция Юнгай» (Estacion Yungay). Там эксплуатируется ровер модели KREX-2, моделирующий бурение и отбор проб в условиях, приближённых к марсианским.

KREX-2 разработан Исследовательским центром им. Эймса из Калифорнии и оборудован лёгким энергоэффективным двухметровым буром, а также манипулятором для захвата и переноса образцов. На нём также установлены приборы для идентификации микроорганизмов и органики – блок с «мокрой лабораторией», аналог которой отправляли в 2007 году на Марс на аппарате «Phoenix» и «прибор для обнаружения признаков жизни» (Signs Of Life Detector, SOLID), разработанный Испанской астробиологической лабораторией. Последний выполняет биохимический анализ раствора и смог обнаружить глюкозу, выбрав её из 512 других органических соединений. В 2017 году на ровере также установили «микрофлюидный анализатор жизни» (Microfluidic Life Analyzer), разработанный в Лаборатории реактивного движения (ЛРД) при NASA. На KREX-2 подбирают оптимальную длину и толщину бура с поправкой на земную и опосредованно – марсианскую гравитацию, подыскивают сплавы для таких буров. KREX-2 успешно извлекает образцы с глубины более 2 м. Дополнительная научная ценность этих опытов заключается в том, что на «марсоходе» стремятся добиться максимальной автономности и миниатюризации приборов и отсеков, а также гарантировать несмешиваемость попадающих в них образцов.

Заключение

Итак, наряду со знаменитыми изоляционными экспериментами и изготовлением реголита, похожего на марсианский, на Земле полным ходом идёт обкатка и подготовка будущих марсоходов и их дублёров. Разумеется, все подобные тесты в лучшем случае приблизительны, поскольку при полевых испытаниях на Земле невозможно добиться характерных для Марса перепадов температур, уровня ультрафиолетового излучения, вязкости грунта, концентрации углекислого газа и силы тяжести, которую нужно учитывать, например, при падении аппарата или расчёте нагрузки на колёса. Но такие эксперименты не только демонстрируют, что Земля и Марс схожи гораздо сильнее, чем может показаться, но и позволяют некоторым экстравагантным «разрушителям легенд» усомниться в самом факте марсианских экспедиций — якобы, на самом деле роверы никогда не покидали острова Девон. Возможно, к моменту первой пилотируемой экспедиции на Марс все эти технологии морально устареют, а у марсонавтов найдутся более серьёзные дела, чем отправляться к кратеру Езеро на поиски Perseverance, который к тому времени давно выработает свой ресурс. Но я надеюсь, что описанные здесь технологии и машины сохранят преемственность до первых таких экспедиций, а тем временем помогут нам осваивать марсианские кратеры и дюны всё увереннее и эффективнее.