Сначала автоматическая межпланетная станция готовилась к старту со средней ракетой «Союз-2», и достижение Марса предполагалось при помощи электроракетной двигательной установки. В проекте «Фобос-Грунт» присутствовало требование – обеспечить не менее 20 % финансирования за счет привлечения коммерческих партнеров. Они нашлись в 2007 году в Китае. К и без того сложной автоматической межпланетной станции добавился попутный малый космический аппарат «Инхо-1». Проект пришлось серьезно переделывать. Электрический двигатель заменили на химический, разработав маршевую двигательную установку на базе созданного на НПО им. С.А. Лавочкина разгонного блока «Фрегат». Выведение на перелетную орбиту к Марсу серийным разгонным блоком было невозможно, так как аппарат требовал коррекции траектории во время перелета и торможения у Марса, поэтому были необходимы переделки бортового комплекса управления. Пуск перенесли на 2009 год. Ракета «Союз» уже оказалась мала для такой нагрузки, поэтому ее заменили на более мощный украинский носитель «Зенит-2». Обновленная масса превысила 13 тонн. За полгода до открытия пускового окна 2009 года, старт сдвинули до ноября 2011-го – из-за особенностей планетных орбит. На Марс с Земли легче всего лететь, если стартовать в течение одного месяца с периодом в два года.
Из-за постоянных переносов срока, переделок и недостаточного финансирования, многие выражали опасения по поводу успешности миссии. За месяц до старта на заседании Госдумы тогдашний глава Роскосмоса Владимир Поповкин пояснял, что сроки и так затянуты, и если не запустить аппарат в 2011-м, то лучше уже не пускать никогда, поскольку технологии постоянно устаревают, а опытные специалисты уходят. Вероятность успеха миссии, при условии пуска в 2011 году, посчитали в 93 %, и госкомиссия приняла решение о пуске, хотя были и более сдержанные оценки – в 22,5 %, но им не придали значения.
«Фобос-грунт» проектировался с учетом последних достижений техники: по модульной негерметичной многоступенчатой схеме. В перспективе, такая платформа рассматривалась как основа будущих космических программ от Меркурия до Юпитера. Компоновка позволяла широко варьировать состав полезной нагрузки, двигательную установку, менять назначение и программу будущих аппаратов. Таким образом, «Фобос-грунт» выполнял не только научные, но и технологические задачи, и должен был стать первой испытательной ласточкой целой армады российских межпланетных зондов, которые готовило НПО им. С.А. Лавочкина.
Программа полета предполагала выведение космического аппарата на опорную низкую околоземную орбиту с высшей точкой орбиты в 360 километров. Там он в автоматическом режиме должен был сориентироваться сначала по Солнцу, чтобы солнечные батареи начали питание бортовой сети, затем – по звездам, такая ориентация является более точной. Звездная ориентация позволила выдать маршевой двигательной установке первый импульс для выхода на переходную эллиптическую орбиту с высшей точкой 4162 километра. После первого импульса отбрасывался дополнительный топливный бак, и устанавливалась двусторонняя связь с Землей. До этого со станции на Землю предполагалась передача телеметрии, но никаких команд на аппарат передать было невозможно. Такое решение было вынужденным, из-за экономии массы решили отказаться от двусторонней связи на низкой околоземной орбите, а для передачи на аппарат – модернизировали только самые большие антенны Дальней космической связи России. Они могли вести передачу только с расстояния в несколько тысяч километров. Даже на переходной орбите не предполагалась никакая передача команд, если «Фобос-Грунт» летит по программе полета. Связью воспользовались бы, только если потребовалось внести навигационные поправки для перехода на отлетную траекторию к Марсу.
Перелет от Земли к Марсу кажется самым легким и простым этапом программы полета «Фобос-Грунт». Затем аппарату предстояло выйти на марсианскую орбиту, сбросить маршевую двигательную установку с тяжелым топливным баком, отделить соединительную ферму, высвободить из нее китайского «пассажира», и только потом приступить к сближению с Фобосом. После посадки на Фобосе ожидалась напряженная и сложная работа. Сбор грунта и отправка к Земле была лишь частью задачи. На поверхности оставалась долгоживущая станция для длительного изучения породы на местности и внешних условий. Место посадки выбрали такое, с которого никогда бы не было видно Марс – чтобы он не создавал лишней тени солнечным батареям. Возвратиться на Землю предстояло совсем небольшому модулю массой в 7 кг, который доставил бы 100–200 г инопланетного грунта. Вместе с ним вернулись бы образцы бактерий и других живых существ, впервые в истории совершившие межпланетный перелет.
К сожалению, ничего из намеченной программы выполнено не было. Никто не ожидал, что полет «Фобос-Грунта» с пугающими подробностями повторит печальный опыт своего предшественника – «Марс-96», отличаясь только длительностью полета и ускользающим шансом спасти миссию.