Ее возможными задачами могли бы быть поиск и исследование районов поверхности Марса, где имеются какие-то шансы отыскать признаки жизни, поиск живых организмов или растений, взятие проб грунта (в разных точках поверхности и на разной глубине) и атмосферы, первичное изучение этих образцов на месте (чтобы можно было скорректировать программу исследований при положительных результатах), доставка проб грунта и атмосферы на Землю, изучение поверхности Марса, его строения, его естественной истории.
Технические средства марсианской экспедиции в значительной степени определяются основными операциями, осуществляемыми в процессе ее полета, самой схемой ее полета. Для осуществления марсианской экспедиции естественно было бы принять принципиальную схему лунной экспедиции: выход сначала на орбиту спутника Марса и затем спуск на поверхность Марса экспедиционного планетного корабля с экипажем планетной части экспедиции (остальная, орбитальная, часть экспедиции должна будет оставаться на орбите спутника Марса в орбитальном корабле экспедиции), проведение работ и исследований на поверхности планеты, сбор проб грунта и атмосферы, возвращение сначала на орбиту спутника, затем, уже в орбитальном корабле, к Земле.
Из самой схемы действий почти сразу следует вывод о целесообразности выделения трех частей марсианского экспедиционного комплекса: орбитального и планетного кораблей и разгонной ракеты, обеспечивающей выведение комплекса на траекторию полета к Марсу с орбиты спутника Земли. Облик этих частей существенно зависит от энергетических затрат на осуществление их операций, то есть от количества топлива, которое нужно израсходовать для выполнения динамических операций, связанных с изменением скорости движения кораблей.
Характеристики и планетного, и орбитального кораблей, а соответственно и разгонной ракеты в значительной степени определяются выбором параметров базовой орбиты спутника Марса (на которой после спуска планетного корабля остается орбитальный корабль) и способом выхода на эту орбиту марсианского комплекса. В качестве базовой орбиты можно выбрать, например, марсостационарную орбиту, находясь на которой спутник Марса будет висеть неподвижно над поверхностью Марса. Но при использовании этой орбиты затраты на выход и на сход с этой орбиты неоправданно велики: около 9 километров в секунду. Другим вариантом базовой орбиты могла бы быть сильно вытянутая эллиптическая орбита. Она может быть выгодна с точки зрения энергетических трат, но неудобна тем, что при ее использовании появятся неприятные ограничения по датам старта с этой орбиты к Земле. Наиболее удобной сегодня представляется круговая орбита с высотой порядка 300 километров. Эта орбита хороша еще и тем, что при выходе марсианского комплекса на нее можно обойтись малыми затратами топлива, если использовать торможение комплекса в атмосфере Марса.
Выбор базовой орбиты определяет схему конструкции и основные параметры планетного корабля. На планетном корабле целесообразно иметь две двигательных установки. Одна на посадочном устройстве (для схода с орбиты и посадки), другая — на взлетной ступени (для выведения на орбиту экипажа планетной экспедиции при ее возвращении на орбитальный корабль, сближения и стыковки с орбитальным кораблем).
Условия работы, большое количество включений двигателей определяют компоненты топлива: высококипящие, самовоспламеняющиеся, а следовательно, и токсичные. Токсичность компонентов — большой недостаток. Тем более что использование их приводит к выходу космонавтов на поверхность, «политую» ими. Да и есть в этом что-то нелогичное и непорядочное: являются люди на чужую планету, где они ищут жизнь, и начинают с того, что отравляют район посадки и предполагаемые живые организмы, которые они ищут в этом районе. Прагматические соображения подталкивают к надежным и удобным для применения токсичным компонентам, да и репутация людей у «марсиан» давно уже испорчена: ведь все опускавшиеся на поверхность Марса автоматы использовали такие же компоненты. Но неплохо бы поискать и нетоксичную пару высококипящих (то есть находящихся в жидком состоянии при нормальной температуре), самовоспламеняющихся (для обеспечения надежности работы двигателей, включающихся десятки, сотни и тысячи раз), достаточно стабильных ударостойких компонентов. В принципе есть пара компонентов, близкая по характеристикам к идеалу, определяемому этими противоречивыми требованиями: концентрированная перекись водорода и какое-нибудь нетоксичное углеводородное горючее с присадками, обеспечивающими самовоспламенение с перекисью водорода. При этом надо еще найти присадки к перекиси водорода (флегматизаторы), которые повышали бы ее стабильность.
На посадочном устройстве должны располагаться лабораторный и жилой отсек, оборудование, необходимое во время спуска и работы планетной части экспедиции на поверхности Марса, но ненужное при возвращении с поверхности на орбитальный корабль: это лобовой аэродинамический щит, используемый на основном участке торможения в атмосфере Марса, сбрасываемый после введения парашютной системы; парашютная система; лабораторный отсек для внутрикорабельных работ на поверхности; генераторы электроэнергии (скорее всего, изотопные); системы управления, связи, терморегулирования, включая подогреватели (скорее всего, опять же изотопные), необходимые во время марсианских ночей (да и марсианских дней тоже); оборудование и запасы систем жизнедеятельности (пища, кислород и вода); шлюз и скафандры для выходов из корабля; марсоход, позволяющий совершать достаточно далекие и длительные экспедиции по поверхности Марса, со своими системами электропитания, жизнедеятельности, связи, управления, трансмиссией, системой терморегулирования; исследовательское оборудование (атмосферные зонды, буровые установки, анализаторы, термостаты).
Тут возникает проблема объема лабораторного и жилого отсеков: ведь экспедиции придется работать на поверхности Марса от нескольких месяцев до полутора лет. Это означает, что нужно будет иметь десятки кубометров объема и отдельные каюты.
Сколько человек должно высаживаться на поверхность Марса? Естественно было бы в районе посадки и на марсоходе вести работы параллельно. Тогда экипаж экспедиционного корабля должен состоять из четырех человек (в каждой команде по два человека — для дублирования друг друга). Если стремиться к минимуму, то можно ограничиться двумя космонавтами, которые могли бы и работать на месте посадки, и совершать поездки на марсоходе. Последний вариант кажется не очень убедительным: лететь за тридевять земель и ограничиться минимальной деятельностью!? Да и безопасность такого варианта вызывает сомнения. Но возможен компромисс: иметь не один, а два марсианских экспедиционных корабля один с большим лабораторным отсеком для работ в районе посадки и другой с марсоходом.
Допустим, экспедиционный корабль стартует с поверхности Марса без посадочного устройства. При этом в его состав, помимо взлетной ракетной системы, должны входить кабина, аппаратура управления, навигации и сближения, аппаратура связи, телеметрических измерений, системы терморегулирования, электропитания (скорее всего, на химических источниках тока: время автономного полета без посадочного устройства мало), средства обеспечения жизнедеятельности экипажа (на запасах — по той же причине), стыковочное устройство.
Проблема связи планетного корабля с орбитальным может оказаться сложной из-за вращения Марса относительно плоскости орбиты орбитального корабля, так как они будут находится в прямой видимости друг друга не чаще одногодвух раз в сутки (если только плоскость базовой орбиты не близка к плоскости экватора). Связь между орбитальным и планетным кораблями, в лучшем случае только раз в сутки, едва ли можно будет признать удовлетворительной. Дело представляется еще более сложным, если вспомнить о необходимости связи между планетным кораблем и марсоходом после того, как марсоход уедет за горизонт от планетного корабля. Проблема могла бы быть решена, если оставить орбитальный корабль на марсостационарной орбите. Такая орбита должна быть в плоскости марсианского экватора на высоте порядка 17 тысяч километров над поверхностью Марса. При этом орбитальный корабль висел бы неподвижно над поверхностью Марса, и его положение на такой марсостационарной орбите можно было бы выбрать над точкой высадки планетной экспедиции. Тогда естественным образом обеспечивалась бы непрерывная связь орбитального корабля с планетным кораблем и с марсоходом.