A pesar de su mala suerte en la exploración de Marte, la Unión Soviética diseñó varias sondas automáticas avanzadas para el estudio del planeta rojo. La más ambiciosa fue el proyecto 5NM para traer a la Tierra una muestra del suelo marciano. Esta gran sonda de 20 toneladas debía haber sido lanzada después de la 4NM, otra nave de diseño similar que contaba con un marsojod para la exploración de la superficie marciana Ambas sondas debían haber sido lanzadas con el malogrado cohete lunar N1, por lo que finalmente serían canceladas después de que el gobierno soviético decidiese deshacerse de este lanzador.

La oficina de diseño NPO Lávochkin no se rendiría y propondría en 1974 las sondas 4M y 5M, proyectos que contarían con el apoyo del ministro de defensa de la URSS Dmitri Ustínov. Por entonces, el programa Viking de los Estados Unidos estaba a punto de revolucionar nuestro conocimiento sobre Marte y la Unión Soviética no podía quedarse atrás.

Diseño final de la sonda soviética marciana 5M (Novosti Kosmonavtiki).

El diseño de la sonda 5M presentado en 1976 -el mismo año que las Viking aterrizaron en Marte- era una nave de unas 8,7 toneladas dividida en tres partes: una etapa de crucero con los motores de maniobra y sistemas para el vuelo hacia Marte (1680 kg), una etapa de descenso para aterrizar en la superficie del planeta rojo y una etapa de ascenso (3190 kg) capaz de situar en órbita marciana una pequeña cápsula de 7,8 kg con muestras marcianas. La cápsula reentraría en la atmósfera terrestre y aterrizaría sin paracaídas, impactando contra el suelo a gran velocidad (sistema que empleará la cápsula de la sonda Fobos-Grunt). Para facilitar su recuperación por parte de los equipos de tierra, incluiría una pequeña cantidad de algún isótopo radiactivo.

Aspecto de la sonda 5NM de 20 toneladas para la recogida de muestras marcianas.

La parte más llamativa del diseño de la sonda era el escudo térmico desplegable en forma de paraguas, evolucionado a partir del diseño con forma de pétalos de la 5NM. El «paraguas» (TZU) se desplegaría después del despegue, aumentando el diámetro de la nave desde los 4,25 metros hasta alcanzar los 11,7 metros. Este diseño permitiría reducir significativamente la velocidad de descenso sin necesidad de emplear un escudo térmico gigantesco. A cambio, los problemas de rigidez de la estructura durante la fase de entrada eran considerables. Si alguno de los radios de berilio del paraguas se colapsaba durante la maniobra, la sonda se podría dar por perdida. Además, este diseño sólo hacía posible un descenso balístico, ya que no se podía aprovechar la escasa sustentación que genera una cápsula cerrada para controlar la trayectoria. En un principio se pensó usar un diseño tradicional en forma de cápsula, pero el equipo de Serguéi Kriukov -el ingeniero a cargo del proyecto en Lávochkin- decidió que este esquema era el idóneo para un vehículo tan masivo. Como curiosidad, para los proyectos 4M y 5M se estudió de forma intensiva cómo afectaría a los motores cohete el flujo de aire durante la fase final de la entrada atmosférica, con el objetivo de poder encender los motores con el escudo térmico aún acoplado a la nave.

Sistema de motores de la 5M/4M a través del escudo térmico.

Después de poner rumbo a Marte, la sonda realizaría la última corrección de su trayectoria a 55000 km del objetivo. Luego se desprendería el módulo orbital y 45 minutos después la nave realizaría una maniobra de separación con un impulso de 200 m/s. El módulo orbital sobrevolaría Marte a 2500 km de distancia, transmitiendo a la Tierra datos sobre el descenso de la sonda durante unos 38 minutos.

La sonda entraría en la atmósfera marciana formando un ángulo de -11,5º (±2,5°) con una  velocidad de 5,7-6,35 km/s, aunque el «paraguas» térmico desplegado ayudaría a reducir la velocidad. A unos 2-3,3 km de altura y una velocidad de 290 m/s se encenderían los cuatro motores de frenado principales y al mismo tiempo se desprendería el paraguas de frenado. Para evitar que el paraguas pudiese colisionar con la sonda, la nave realizaría una maniobra lateral desplazándose 150-200 metros. El radar Doppler DA-028 guiaría el descenso del vehículo. Diez segundos antes del aterrizaje se encendería el motor principal para reducir la velocidad de 30-40 m/s a no más de 2 m/s. La zona de aterrizaje elegida era una planicie situada en la región de Apollinaris, no muy lejos del cráter Gusev, donde actualmente se encuentra el rover Spirit de la NASA. Por contra, la nave 4M con el marsojod tendría un diseño encapsulado, permitiendo un descenso controlado.

La misión original 4NM con el marsojod y el escudo desplegable.

Esquema de descenso de la misión 4M con el marsojod.

El proyecto 5M requeriría tres lanzamientos del cohete Protón-K. Un lanzador situaría en órbita terrestre una etapa de escape Blok-DM, mientras que un segundo Protón sería el encargado de situar en LEO la sonda 5M con otra etapa Blok DM con combustible adicional. El conjunto se acoplaría en LEO y partiría hacia Marte. Años después se lanzaría otro Protón con una sonda que viajaría hasta el planeta rojo y recogería la cápsula con las muestras en órbita marciana.

A partir de 1979, las sondas 4M/5M serían olvidadas progresivamente en favor de las nuevas series 6M, 7M y 8M. Según los planes de NPO Lávochkin, dos sondas 6M se encargarían de estudiar Marte desde una órbita de 500 km de altura a principios de los 90, y en 1999 se lanzarían dos 7M con sendos marsojod de 850 kg. Por último, a partir de 2000 despegarían las primeras 8M para recogida de muestras. La misión 8M estaría dividida en dos sondas distintas, al igual que la 5M. La 8MP situaría un marsojod en la superficie para capturar muestras y mandarlas a la superficie, mientras que la 8MS se encargaría de recogerlas en órbita marciana y traerlas de vuelta a la Tierra. Lamentablemente, ninguno de estos proyectos llegaría a hacerse realidad.