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Lunar Orbiter

Die Anfänge des Projektes Lunar Orbiter

Kamera von Lunar OrbiterAls man beschloss zum Mond zu fliegen, war dies nicht nur der Beginn des bemannten Programms, sondern es machte auch unbemannte Programme zur Vorbereitung dessen notwendig. Als Kennedy 1961 ankündigte zum Mond fliegen zu wollen, lief schon das Projekt Ranger. Dieses hatte das Ziel eine Sonde auf den Mond stürzen zu lassen und dabei Fotos von der Oberfläche zu machen. Für eine bemannte Landung brauchte man aber mehr. Zuerst musste man etwas über die Mondoberfläche wissen: Kann man auf ihr gefahrlos landen? Versinkt man nicht im Staub? Wie ist die Oberfläche beschaffen (Gibt es steile Felsen, Tiefe Krater oder ist es sehr plan?) Das alles sollten die Landesonden Surveyor 1-9 klären. Das zweite war die fotographische Erfassung des Mondes. Für Apollo war nur die Mondvorderseite wichtig, da man auf dieser landete. (Sonst hätten die Astronauten keinen Funkkontakt zur Erde gehabt). Doch selbst diese Seite, die immer der Erde zugewandt ist, kannte man nicht besser als mit einer Auflösung von ca. 800 m. Das lag vor allem an der Atmosphäre, deren Luftunruhe man damals noch nicht durch technische Maßnahmen kompensieren konnte. Sie verschmierte Teleskopaufnahmen von der Erde aus. Man benötigte also eine Raumsonde, die den Mond mit erheblich besserer Auflösung fotografieren konnte.

Lunar Orbiter waren nicht die ersten amerikanischen Mondorbiter. Schon im Jahre 1959 gab es das Projekt Pioneer P, wegen der Trägerrakete auch Atlas-Able bezeichnet. Keine der vier Sonden erreichte aber auch nur eine Bahn zum Mond. Am 1.7.1966 sollte schließlich der IMP-D Explorer eine Mondumlaufbahn erreichen. Doch durch eine zu hohe Brennschlußgeschwindigkeit erreichte diese Sonde nur eine Erdumlaufbahn. So wurden die Lunar Orbiter die ersten amerikanischen Mondorbiter.

Die Ursprünge von Lunar Orbiter

Schon am 23.3.1961, also zwei Monate vor der "Mondrede" Kennedys wurde als Ziel für einen Mondorbiter definiert:

  1. Möglichkeit Objekte bis zu 10 km Größe zu erkennen
  2. Fotographie ausgewählter Gebiete mit 100 m Auflösung
  3. Globale Fotographie in 1 km Auflösung
  4. Gewinnung von Stereoaufnahmen

Lunar OrbiterZuerst dachte man bei Surveyor daran eine Raumsonde zu bauen, die eine gemeinsame Basis für einen Orbiter und einen Lander stellte. Der Zentralkörper mit der Elektronik wäre identisch gewesen, die Nutzlast und Treibstoffzuladung hätten differiert. Doch zeigte sich, das dieses Konzept zu aufwendig gewesen wäre. Als man im letzten Quartal 1961 die ersten Performance Daten der Centaur Oberstufe hatte und die Höchstnutzlast von 1100 auf 950 kg reduzieren musste, war dieses getrennte Konzept nicht mehr praktikabel, da ein gemeinsamer Basiskörper schwerer war als ein spezialisierter. Man beschloss daher, die Orbiter als eigenständige Raumfahrzeuge auszulegen.

1962 wurde dessen Leistung festgelegt:

  1. Globale Fotographie mit 45 m Auflösung
  2. Ausgewählte Gebiete mit 4.5 m Auflösung (20 Grad Breite, 45 Grad Länge)
  3. Landezonen von Apollo mit 1.2 m Auflösung.

Mehrere Vorschläge wurden diskutiert, so ein spin-stabilisierter Orbiter von 320 kg Masse und 0.5 m Maximalauflösung aus 40 km Höhe. RCA wollte die Ranger Mondsonden so modifizieren, dass sie eine TV Kamera in einen Orbit trugen. Doch diese hätte in der Weitwinkel Version nur 130 m Auflösung und in der Televersion 30 m Auflösung gehabt. Es gab schließlich 5 Bieter für den Auftrag: Hughes, TRW/STL, Lockheed, Boeing und Martin. Den Zuschlag erhielt Boeing, obgleich auch andere Bieter eine gute Ausgangsposition hatten. So fertigte Hughes schon die Surveyor Mondsonden und der TRW Vorschlag war der erste, der die Anforderungen der NASA erfüllte. Eventuell reflektierte dies auch die bei der Saturn umgesetzte Strategie Aufträge weit zu verteilen um in möglichst vielen Unternehmen ein Know-How aufzubauen.

Boeing bekam auch den Zuschlag, weil sie bisher entwickelte Hardware benutzte. Der Sternsensor stammte aus dem Mariner Programm, das Triebwerk aus dem Apollo Programm und das Kamerasystem war eine Modifikation des Agena Systems der USAF, welches auch in den ersten Aufklärungssatelliten eingesetzt wurde. Dieses System arbeitete auch als einziges mit einem Entwicklungsprozess ohne flüssige Chemikalien, was die Konstruktion erheblich vereinfachte.

Es war auch geplant einen zweiten Set (Block II) von Lunar Orbitern zu bauen, die mit weiteren Experimenten (Gammastrahlen-Detektor, Infrarot-Temperaturbestimmung, RADAR, Photometrie/Colormetrie zur Mineralbestimmung, Radiometrie um den Temperaturgradienten zu bestimmen, Röntgenstrahlenspektrometer zur Mineralbestimmung, Solarplasma Detektion, Magnetometer und Ionosphärendetektoren) ausgestattet sein sollten. Doch aus Geldmangel wurden diese nicht gebaut, Dafür wurden neben den 5 Flugexemplaren noch 3 weitere für Bodentests gebaut. Diese sollten für 29.3 Mill. USD gebaut werden, doch stiegen die Kosten bis Mitte 1966 um 10 Mill. USD an. Schließlich kostete ein Lunar Orbiter 13 Millionen USD.

Der Lunar Orbiter

Den Auftrag für den Satelliten selbst bekam Boeing.schnittzeichnung Lunar Orbiter

Lunar Orbiter war ein sehr kompakter Satellit mit nur 1.52 Kantenlänge und 1.68 m Höhe. Der Durchmesser wurde diktiert durch die Agena D Oberstufe, die ebenfalls 1.52 m Durchmesser hatte, Da ein Lunar Orbiter nur 382-387 kg wog, konnte man auf die Atlas Centaur als Trägerrakete verzichten und die Atlas Agena D benutzen. Aufgeklappt hatte der Orbiter eine Spannweite von 3.96 m (über Solarzellen) bzw. 5.61 (von Antennenspitze zu Antennenspitze). Der Aufbau ist dreiteilig: Oben das Antriebsmodul, in der Mitte das Instrumentenmodul und unten der Rahmen für Antennen und Solarpanels.

Die vier Solarpanel mit 10.856 Solarzellen lieferten eine Spitzenleistung von 450 Watt. Eine 12 Amperestunden Nickel-Cadmium Batterie lieferte 118 Watt über maximal 12 h wenn die Solarpanel nicht beleuchtet waren. Die Borstromversorgung konnte so zwischen 22 und 31 Volt schwanken. (Batterie/Solarstrom). Nominelle Spannung an Bord war ein 28 V Netz. Benötigt wurden 266 Watt für den Betrieb. Kommuniziert wurde mit der Erde über eine Parabolantenne mit 1.02 m Durchmesser und 10 Watt Sendeleistung und 50 KBaud Übertragungsrate im S-Band bei 2295. Dazu kam ein Signalsender, der auf dem Flug von rund 90 Stunden Dauer zum Mond betrieben wurde. Er sandte mit 0.48 Watt ein Trägersignal, aufgrund dessen man die Position und Geschwindigkeit der Sonde bestimmen konnte.

Lunar Orbiter hatten noch keinen Computer im heutigen Sinn, aber einen zeitgesteuerten Kommandogeber, der aus 600 integrierten Schaltkreisen bestand (allerdings in sehr niedriger Integrationsdichte). Die Wortbreite betrug 21 Bit, die Taktfrequenz 2.4 KHz. Speicher war ein 2688 Bit Ringkernspeicher (entsprechend 128 Worten à 21 Bit). Dieser nur schuhkartongroße Kommandogeber konnte alle Befehle mit denen man die Sonde steuern konnte zwischenspeichern und zu einem festgelegten Zeitpunkt abrufen. Die Verwendung von integrierten Schaltungen erlaubte es diesen so klein zu fertigen und dabei 6 kg Gewicht einzusparen.

Zum Einschuss in die Mondumlaufbahn wurde ein Triebwerk mit 454 N Schub benutzt, welches mit den Treibstoffen Aerozin / Stickstofftetroxid betrieben wurde. Die Lageregelung wurde von einem separaten System, betrieben mit Stickstoff Kaltgas durchgeführt. Dazu dienten zwei Sonnensonden und ein Kanopus Sternsensor. Ursprünglich sollte das 454 N Marqward Triebwerk die Geschwindigkeit um 1100 m/s ändern können, so dass eine Bahn von 46 × 925 km erreichbar war. Doch der Marquard Motor erreichte nicht den dazu nötigen hohen spezifischen Impuls von 2845, so dass alle Mondorbiter wesentlich elliptischere Bahnen hatten.

Die Lageregelung erfolgte durch fünf Sonnensensoren, einen Kanopus Sternensensor und eine IRU (Inertial Reference Unit) mit Gyroskopen. Diese kamen während kurzer Perioden zum Einsatz wenn durch Lageänderungen des Orbiters der Kanopus Sternsensor nicht auf diesen zeigte. Die Temperaturkontroller erfolgte durch Bemalung der Sonden mit reflektierender Farbe, mehreren Lagen Aluminiumfolie und Heizelementen.

Die Instrumente

FilmentwicklungDie instrumentelle Nutzlast war mit 64 kg gemessen an der Startmasse der Sonde sehr groß. Bei der primären Nutzlast handelte es sich um ein Kamerasystem mit einer Tele- und einer Weitwinkelkamera. Es basierte auf der Technologie der ersten Spionagesatelliten des Typs SAMOS.

SAMOS hatte die Entwicklung von Film an Bord eines Satelliten 1960/1961 erprobt. Die Technologie funktionierte, wurde aber verworfen, da für das NRO die Nachteile (begrenzte Bandbreite, unkodierte Übertragung, keine Möglichkeit mehr Film als bei einem Übertragungspass übertragen wird auf einmal aufzunehmen) zu hoch war.

KODAK bekam die Erlaubnis die E-1 Kamera der SAMOS-A Generation bei seiner Bewerbung um den Lunar Orbiter Auftrag zu verwenden. Sie ersetzten die Linse mit 1830 mm Brennweite der Spionagesatelliten durch eine 80 mm Weitwinkel und eine 610 mm Telephotolinse. Damit entstanden zwei Aufnahmen gleichzeitig, wobei eine Bewegungskompensation ausgerichtet auf Telebrennweite eingebaut wurde.

Mit einem verbesserten halbtrockenen Entwicklungsprozess war die Kamera von KODAK zwar die teuerste aller vier Vorschläge, die NASA erhielt, aber als einzige übertraf sie alle Anforderungen und die anderen drei mit einem flüssigen Entwicklungsprozess wurden als problematisch im Vakuum und unter harter Strahlung eingeschätzt. So bekam am 20.12.1963 KODAK den Entwicklungsauftrag.

Die Telekamera hatte 610 mm Brennweite und die Weitwinkelkamera 80 mm (ca. 35 Grad Gesichtsfeld). Die Telekamera war so fixiert, das ihr Blickfeld in der Mitte der Weitwinkelkamera lag. Mit diesen Kameras wurde 70 mm Spezialfilm (Typ SO-243 High Definition Aerial Film) belichtet. Die Blende betrug 5.6 und Belichtungszeiten von 1/25-1/100 Sekunde waren möglich. Alle 1.6 sec war eine Aufnahme möglich.

Aus 46 km Höhe hatte eine Teleaufnahme eine Größe von 4.15 x 16.6 km. Eine Weitwinkelaufnahme hatte Abmessungen von 31.6 x 37.4 km,

Nach einer Aufnahme mit der Weitwinkelkamera wurde mit der Telekamera und einem Spiegelsystem ein 5 × 20° breiter Streifen aufgenommen. Danach wurde der Film um 29.693 cm weiter transportiert. So wurde jeweils ein quadratisches Weitwinkelbild und ein rechteckiges Telebild aufgenommen. Die Gesamtlänge des Films betrug 80 m. Je nachdem, wie man die Frames unterteilt (in rechteckige oder quadratische Teleaufnahmen oder nur in Frames) erhält man verschiedene Bilderzahlen für die Missionen. Es waren automatische Sequenzen von 1,, 8 oder 16 Fotos möglich.

Lunar Orbiter KamerasDieser Film wurde an Bord entwickelt, indem er gegen einen zweiten gepresst wurde, der mit Entwicklungs- und Fixierlösung getränkt war. Diesen Bimat Prozess hatte Kodak entwickelt, welche daher auch die Kamera bauten. Nach dem Trocknen bei 85° Fahrenheit (29.4°C) wurde der Film auf einer Rolle aufgewickelt und dort zwischen gespeichert. Zum Digitalisieren wurde der Film streifenweise abgetastet, wobei jeweils 2.68 mm auf einmal abgetastet wurden. Ein Lichtstrahl von 5 Mikrometern Größe tastete dann den Film ab. Ein Bildpunkt hatte auf dem Film eine Größe von 6.4 Mikrometer. Pro Millimeter Film wurden 286 Messungen gemacht. Die Helligkeitsabschwächung wurde von einem Photomultiplier in ein elektrisches Signal übersetzt. Die digitalisierten Informationen wurden zur Erde übermittelt. Das System war vollständig abgeschirmt, mit Stickstoff unter Druck gesetzt und in der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit geregelt. Die Bilddaten wurden auf eine 10 MHz Frequenz aufmoduliert. Genutzt wurde dafür eine Bandbreite von 310 kHz. Es dauerte etwa 43 Minuten ein Bild zur Erde zu übertragen. Im Idealfall war die Übertragung von zwei bis drei Bildern pro Orbit möglich und die rund 212 Bilder pro Mission wurden in etwa 12 Tagen übertragen.

Auf der Erde wurden die Daten zuerst analog auf ein Ampex FR-900 Magnetband gespeichert, das in professionellen Videorekordern eingesetzt wurde. Die Daten wurden dann ausgelesen und damit wiederum der Elektronenstrahl eines Videomonitors mit sehr langer Leuchtdauer gesteuert. (beschichtet mit RCA C24031 kinescope Phosphor). Dieser konnte nur acht Graustufen darstellen und unterdrückte sowohl sehr helle wie auch sehr dunkle Bereiche. Das Bild des Videomonitors wurde mit einer 35 mm Kamera abfotografiert (auf SO-349 Film) und meistens wurden mehrere Teilrahmen zu einem größeren Bild zusammenkopiert.

Lunar Orbiter KameraDie Kamera wurde der Bewegung des Raumfahrzeuges nachgeführt, indem die Bewegung des Untergrundes durch einen elektrooptischen Sensor erfasst wurde und die Kamera entsprechend nachgeführt wurde. Der Orbiter war so ausgerichtet und durch Gyros stabilisiert, dass die Kamera ständig senkrecht auf die Mondoberfläche zeigen konnte. Es gab verschiedene Modi um die Kamera zu schwenken. Sie konnte 4, 14 oder 20 Bilder in einer Reihe machen. Es konnten Stereoaufnahmen angefertigt werden oder kontinuierlich Aufnahmen die sich maximal überlappten um ein Landegebiet aus verschiedenen Blickwinkeln abzulichten. Überlappungen von 5 bis 50,1% pro Bild waren einstellbar.

Die Datenübertragung eines 2.68 × 65 mm langen Streifens (Framelets) dauerte 23 Sekunden. Ein Telebild bestand aus 26, eine Weitwinkelbild aus 86 Framelets. Die Übertragung eines Weitwinkel und Telebildes dauerte so 43 min. Auf der Erde kehrte man den Prozess um: Man speicherte die Bilder nicht digital sondern belichtete durch Steuerung der Lichtintensität 35 mm Film. So wurde aus einem 2.5 × 65 mm Segment auf der Erde ein 20 × 420 mm langer Filmstreifen. Diese wurden dann aneinander gelegt um das Bild zu erhalten. Diese Segmente sind auf vielen Bildern als Kanten sichtbar.

Das zweite Experiment war die Verfolgung der Telemetrie. Dazu wurde der Sender mit 0.48 Watt Sendeleistung an der ungerichteten Antenne benutzt. Durch die Dopplerfrequenzverschiebung konnte man die Geschwindigkeit des Raumfahrzeuges ermitteln und damit die Veränderung des Orbits. Die Funksignale wurden auf der Erde von IBM 7044/7049 Computern in Echtzeit ausgewertet Dies war möglich während der ersten Ellipsen um den Mond und während der erweiterten Mission, wenn alle Bilder übertragen waren. Das Experiment sollte während 60 Tagen arbeiten, wurde aber meist betrieben, solange die Orbiter keine Bilder zur Erde sandten.

Auf dem Treibstoffbehältern befand sich auch ein einfacher Meteoritendetektor. 20 halbzylindrische Behälter waren mit Helium Gas unter Druck gesetzt. Ein Meteoritentreffer veränderte den Gasdruck, da dieses dann ausströmen konnte. Dies wurde detektiert. Die Dicke der Behälterwand betrug nur 0.0127 mm, es handelte sich also mehr um eine Folie aus Beryllium-Kupfer.

Zwei Cäsium-Jodid Dosimeter sollten die Strahlung bestimmen. Dazu waren zwei Szintillatoren auf Basis von Cäsium-Jodid genauso abgeschirmt wie der Film und die Apollo Modulwand bzw. ein Raumanzug (2 g/cm² und 0.17g/cm² Aluminium). Dies schirmte vor Partikeln mit Energien von 40 bzw. 11 MeV ab. Ziel war die Bestimmung der Schwärzung des Films durch Strahlung (2 g/cm² Abschirmung) bzw. der Strahlenbelastung der Astronauten auf dem Mond (0.17 g/cm²). Dieses Experiment wog nur 0.9 Kilogramm.

Die Missionen

Es gab insgesamt 5 Satelliten. Die primäre Aufgabe war die Fotographie von potentiellen Apollo Landeplätzen. Es gab deren vor dem ersten Flug 20: 10 primäre und 10 Ausweichlandeplätze (Man ging von 20 Apollo Missionen aus, wobei Apollo 11 die erste Mission war die landen sollte). Jeder Landeplatz hatte eine Größe von 5 x 8 km.

Das primäre Missionsziel wurde schon mit den ersten 3 Orbitern erreicht, so dass die beiden letzten die Aufgabe hatten, Regionen zu fotografieren, die wissenschaftlich besonders wertvoll erachtet wurden. Das ganze Programm wurde in nur etwas mehr als einem Jahr (1.8.1966 bis 7.8.1967) abgewickelt, wobei die Orbiter in nur wenigen Tagen Aufnahmen machten und diese dann über etwa 3 Wochen zur Erde sandten. Hinsichtlich der Bahnen und Fotos hatten die Apollo Missionen oberste Priorität. Dies drückt sich auch darin aus, dass alle Fotos von Lunar Orbiter bei schrägem Lichteinfall von 25-40° gemacht wurden um auswertbare Schatten für die Höhenmessungen von Felsen, Kraterrändern etc. zu erhalten. In dieser Hinsicht sind die Fotos auch heute noch unübertroffen, denn spätere Missionen machten Fotos bei steilerem Lichteinfall.

Bild der Erde von Lunar Orbiter 1 aus.Lunar Orbiter 1

Lunar Orbiter 1 hatte die Aufgabe die 10 primären Landeregionen zu fotografieren. Er wurde am 10.8.1966 gestartet und schwenkte in eine stark elliptische Bahn von 187 / 1858 km Mondentfernung ein. Die Bahn war nur zu 12.14° zu dem Mondäquator geneigt, da die Mondlandeplätze in äquatornahen Regionen lagen. Die Kartierung begann am 18 August 1966. Sie wurde am 19.8 unterbrochen. Am 21.8.1966 und 25.8.1966 wurde die Bahn abgesenkt, zuerst auf 56 und dann auf 39 km Höhe. Der Orbiter näherte sich nun dem Mond bis auf 39 km und entfernte sich bis zu 1685 km. Aus dieser Bahn wurden weitere Aufnahmen gemacht. Insgesamt übermittelte er 42 Teleaufnahmen und 187 Weitwinkelaufnahmen (187 Frames) bis zum 30.8.1966. 65,6 m Film wurden belichtet. Insgesamt 12 Tage dauerte die Kartierungsmission. Das Auslesen der Daten wurde dann nochmals wiederholt bis zum 14.9.166. Insgesamt wurden 262000 km² der Mondvorderseite und 3 Millionen km² der Mondrückseite photographisch erfasst. "Die Gesamtfläche die Lunar Orbiter 1 kartierte entspricht der Größe Englands, die kleinsten Details haben die Größe eines Londoner Autobusses." erklärte Oran W. Nicks, Leiter der Mond und Planetenprogramme der NASA England hat eine Fläche von 229.850 km² und ein Autobus ist typischerweise etwa 20-25 m lang.

Die Bilder hatten Kantenlängen von 200 km (Telekamera) und 1500 km (Weitwinkelkamera). Dabei wurden aber Teleaufnahmen aus größerer Mondentfernung gemacht um möglichst viel Fläche abzudecken. Dies deckte 75 % der geplanten Mission ab. Lunar Orbiter 1 erfasste 9 primäre und 7 sekundäre Landeplätze und 11 Regionen der Mondrückseite. (Die frühen Teleaufnahmen waren verschmiert). Lunar Orbiter 1 machte auch die ersten beiden Bilder der Erde aus Mondentfernung. Dazu musste die Sonde gedreht werden, so dass Sie den Mondrand aufnehmen konnte. Dies war im Missionsplan nicht vorgesehen und bei Boeing gab es Bedenken, dass dabei die Kamera durch direkte Sonneneinstrahlung beschädigt werden könnte. Doch wegen der öffentlichkeitswirksamen Bedeutung wurden im ganzen Programm solche Aufnahmen gemacht. Mikrometeoriten konnten während der Mission nicht detektiert werden. Obgleich für eine Mission von einem Jahr ausgelegt, wurde der Orbiter am 29.10.166 gezielt auf den Mond gelenkt, um die Kommunikationswege für Lunar Orbiter 2 freizumachen und weil das Stickstoffkaltgas zu Ende ging. Er zerschellte bei 7 ° Nord , 161° Ost.

LKopernikus von obenunar Orbiter 2

Der zweite Orbiter sollte die Kartierung von Apollo Landeplätzen fortsetzen. Man hatte inzwischen die Anzahl der Landeplätze auf 13 primäre und 23 Sekundärlandeplätze erweitert. Weiterhin stellte man bei Lunar Orbiter 1 Abweichungen der Orbits von der Berechnung fest. Man führte dies auf Masse-Konzentrationen (Mascons) zurück und die Vermessung der Funksignale von Lunar Orbiter 2 sollte hier mehr Aufschluss ergeben. Neben den Meteoritendetektoren von Lunar Orbiter 1 hatte man einen zweiten Mikrometeoritendetektor angebracht. Auf diesen verzichtete man bei den nächsten Missionen wieder, da man während der gesamten Mission von einem Jahr nur 3 Einschläge detektieren konnte.

.. und aus 40 km HöheLunar Orbiter 2 wurde am 6.11.1966 gestartet. Er schwenkte am 10.11.1966 in eine erste Bahn von 196 km Mondnähe und 1857 km Mondferne mit einer Neigung von 11.8° ein. Diese wurde nach 33 Umläufen auf 40 km Periselen und 1853 km Aposelen abgesenkt. Es gelangen zwischen dem 18 und 25.11.1966 insgesamt 609 Telekamera und 208 Weitwinkelaufnahmen, die bis zum 7.12.1966 übertragen wurden. Die letzten 6 Bilder konnten wegen Ausfalls des Verstärkers nicht übertragen werden. (205 Frames erfolgreich übertragen). Das hier abgebildete Fotos des Kraters Kopernikus (von oben und schräg aus 40 km Höhe) wurde von Zeitungen zum Foto des Jahres gekürt.

Hatten die besten Aufnahmen von Orbiter 1 noch Auflösungen von 8 / 275 m, so machte Orbiter 2 mehr Teleaufnahmen und Aufnahmen aus niedriger Höhe, so dass die Auflösung auf 1 m bei Telekamera und 33 m bei Weitwinkelaufnahmen stieg. Damit hatte man die meisten Apollo Landplätze in ausreichender Genauigkeit erfasst. Am 8.12.1966 wurde die Inklination auf 17.5° der Bahn erhöht. Der Orbiter wurde nun noch genutzt um seine Bahn zu verfolgen und so die Mascons noch etwas besser zu erforschen. Der Orbiter stürzte am 11.10.1967 bei 3°N, 119.1° Ost ab.

Nach der Mission von Lunar Orbiter II waren 3,8 Millionen km² Fläche abgelichtet, davon 38.000 km² mit den Teleaufnahmen - potentielle primäre Apollolandeplätze.

Lunar Orbiter 3

Survenyor 1 LandeplatzDer dritte Orbiter sollte nun nicht neue Landeplätze erfassen, sondern die bisherigen besser erfassen, z.B. ob die Lichtbedingungen für eine Landung geeignet sind. Weiterhin wurde die Auswahl nun auch auf wissenschaftlich interessante sekundäre Landeplätze erweitert. 5 Landegebiete in einem 26 Grad breiten Streifen wurden abgelichtet, der Rest der Aufnahmen stand für wissenschaftliche Aufnahmen zur Verfügung. Dazu wurde der Orbiter nach dem Start am 5.2.1967 auf eine etwas höhere Inklination von 21° abgebremst. Die erste Bahn von 210 - 1790 km Entfernung von der Mondoberfläche wurde nach 4 Tagen in einen 45 km / 1850 km Bahn umgewandelt um mehr hochauflösende Fotos zu gewinnen. Nur aus diesem zweiten Orbit gab es von 15-23.2.1967 Bilder, die bis zum 4.3.1967 ausgelesen wurden. Dann versagte der Transportmechanismus für den Film, so dass etwa ein Viertel des Films (47 Frames) nicht ausgelesen werden konnten.

Lunar Orbiter 3 sandte 477 Telekamera und 149 Weitwinkelaufnahmen (182 Frames) zur Erde, darunter einige mit Auflösungen von bis zu 1 m. Auf dem links abgebildeten Foto ist die Umgebung der Mondsonde Surveyor 1 abgebildet. Die höhere Bahnneigung führte zu mehr Störungen durch Mascons, so dass die Sonde schon am 9.10.1967 vor Lunar Orbiter 2 bei 14.25 Nord und 92.7 West abstürzte.

Mit diesem dritten Orbiter waren alle 36 Primär- und Sekundärlandeplätze erfasst, die idealen ausgewählt und damit die Vorbereitungen für das Apollo Programm abgeschlossen. Man konnte nun die beiden verbliebenen Orbiter nutzen um mehr wissenschaftliche Aufnahmen zu gewinnen. So hatten bislang alle Lunar Orbiter kleine Gebiete der Mondvorderseite erfasst, meistens nahe des Äquators. Es fehlte die Erfassung der Mondrückseite und der polnahen Gebiete.

Lunar Orbiter 4

MondrückseiteLunar Orbiter 4 wurde am 4.5.1967 gestartet und schwenkte in eine Bahn von 2706 km Mondnähe und 6709 km Mondferne ein. Diese Bahn führte über die Pole, mit einer Bahnneigung von 85.8°. Dadurch war diese Bahn wegen der hohen Bahnneigung und Höhe ideal für eine globale Kartierung des Mondes. Die Umlaufsdauer betrug anstatt 3.5 h nun über 12 h. Mit der Kartierung wurde am 11.5.1967 begonnen. Bald zeigte sich, das die thermische Abschirmung der Kamera nicht korrekt reagierte. Man entschloss sich diese offen zu lassen, weil man fürchtete, sie könnte geschlossen bleiben und somit die Fotographie unmöglich machen. Dies machte zusätzliche Kurskorrekturen nötig, damit die Kamera nicht direktem Licht ausgesetzt wurde. Trotzdem erkannte man am 13.5, das Licht eingedrungen war und Teile des Films zerstört hatte. Man entschloss sich dann die Tür teilweise zu schließen, was dann zu Nebel auf den Linsen durch Kondensation durch niedrige Temperaturen führte. Als dann am 20.5.1967 noch Probleme mit dem Auslesen begannen, entschloss man sich am 26.5.1967 die fotographische Erfassung vorzeitig zu beenden. Die Daten wurde bis zum 1.6.1967 zur Erde übermittelt.

So lieferte Lunar Orbiter nur 419 Hochauflösende und 127 niedrigauflösende Fotos. (163 Frames) Diese deckten bei Auflösungen von 33 m Telekamera und 134 m Weitwinkel 75 % der Mondrückseite (manche Quellen auch 95 %) und 99 % der Mondvorderseite ab. Am 31.10.1967 stürzte Lunar Orbiter 4 zwischen 22 und 30 West ab. Die ersten Bilder der Pole wurden gewonnen und für viele Bereiche des Mondes sind diese Bilder heute noch die besten vorhandenen, da spätere Apollo Missionen nur den Äquator umrundeten und Clementine nur Teile des Mondes besser aufnahm.

Krater TychoLunar Orbiter 5

Der letzte Mondorbiter sollte nun besonders interessante Gebiete mit höherer Auflösung beobachten. Er startete am 1.8.1967 und schwenkte am 5.8.1967 in einen nahezu polaren Orbit von 85° Inklination ein. Der mondnächste Punkt lag bei 194.5 km, der mondfernste bei 6023 km. Diese Bahn wurde am 7.8.1967 auf 100 km Perilunäum abgesenkt und am 9.8.1967 zum endgültigen Orbit von 99 × 1500 km angepasst. Vom 6-18.1967 August wurden Fotos mit Auflösungen bis zu 2 m gewonnen. Diese wurden bis zum 27.8 zur Erde übertragen.

Ziel war es vor allem 36 besonders ausgewählte Gebiete zu fotografieren. Lunar Orbiter 5 machte 633 hochauflösende und 211 Weitwinkelaufnahmen. (212 Frames). Der Orbiter wurde verfolgt, bis er am 31.1.1968 bei 2.79° Süd und 83° West auf der Mondoberfläche zerschellte.

Dieses Bild von Krater Tycho zeigt auch die Bildfelder von Tele- und Weitwinkelkamera. Wäre Lunar Orbiter 5 gescheitert, so wäre noch ein sechster Orbiter aus Teilen die man bei Boeing verfügbar hatte, gebaut worden. Man behielt sich diese Option offen. Doch da der Orbiter 5 erfolgreich war, kam es nicht mehr dazu.

Zusammenfassung

Die Erde fotographiert von Lunar Orbiter 5Alle 5 Lunar Orbiter lieferten zusammen 2180 hochauflösende und 883 Medium auflösende Aufnahmen (949 Frames) zur Erde. Sie bildeten 99 % der Mondoberfläche ab, darunter Teile mit bis zu 1 m Auflösung. Das war für die damalige Zeit einer norme Leistung. Bedenkt man, dass es erst seit Ende der neunziger Jahre zivile Erderkundungssatelliten mit dieser Auflösung gibt, so waren Ende der 60 er Jahre manche Teile des Mondes besser erfasst als die Erde.

Die Kartierung der gesamten Mondoberfläche mit einer Genauigkeit von 100-200 m und von 100.000 km² mit 1-2 m hatte Bestand bis zum Start von Mondsonden im neuen Jahrtausend. Es gibt zwar inzwischen Aufnahmen von Clementine, die noch besser als die von Lunar Orbiter sind, aber für die Kartierung wichtig war auch der steile Sonneneinfall, der kleinste Details hervortreten lies. Erst Kaguya, SMART-1 und LRO lieferten bessere Aufnahmen als die fünf Orbiter.

Die NASA war auch erfreut, das alle Lunar Orbiter erfolgreich waren: Von den 9 Ranger dem letzten Projekt vor Lunar Orbiter waren nur 3 erfolgreich und auch bei den Mariners zu Venus und Mars fielen bis dahin von 4 Sonden 2 aus.

Von August bis Oktober 1967 konnte die Apollo Missionsplanung durch das Verfolgen von Lunar Orbiter 2,3 und 5 schon mal die Kommunikation zu Apollo Mutterschiff und Landekapsel simulieren.

Nach Beendigung dieser Aktivitäten (die auch zu Rückschlüssen über Massekonzentrationen unterhalb den Mare führten) wurden die noch im Orbit befindlichen 4 Lunar Orbiter gezielt zum Absturz gebracht um Funkfrequenzen frei zu bekommen und Zusammenstöße mit Apollo zu vermeiden.

Zusammen hat das gesamte Lunar Orbiter Programm 200 Mill. USD gekostet, das ist weniger als die Hälfte der Kosten die ein einziger Apollo Flug verursachte (450 Mill. USD). Es ist auch eine Besonderheit, dass alle Flüge klappten: Von neun Ranger waren nur drei erfolgreich, von sieben Surveyors fünf. Auch von den bis 1967 gestarteten 5 Mariner Sonden waren 2 ausgefallen. Lunar Orbiter war das erste Programm ohne einen einzigen Fehlstart.

Start von Lunar Orbiter 1Noch heute, 35 Jahre später sind die Lunar Orbiter Fotos die Basis für die Mondatlanten. Zwar gab es seitdem die Clementine Mission, die 3 Monate lang den Mond in verschiedenen Spektralkanälen kartiert hat. Doch lag bei dieser Mission der Schwerpunkt auf einer mineralogischen Erkundung. Für Karten sind die bei flachem Sonnenstand aufgenommenen Lunar Orbiter Fotos aber geeigneter, da so kleine Details besser hervortreten. Die Lunar Orbiter waren aber auch für die nächsten 27 Jahre die letzten Mondorbiter der NASA.

Im Jahre 2008 wurde das Lunar Orbiter Image Recovery Project (LOIRP)  mit finanzieller Unterstützung der NASA ins Leben gerufen. Ziel war es festzustellen, ob die Bilder der Mondsatelliten auch nach 40 Jahren noch rekonstruiert werden konnten. Die NASA hatte die Daten auf analogen 2 Zoll Magnetbändern des Typs FR-900 gespeichert und natürlich noch die damals angefertigten 35 mm Negative.

Nachdem Bandleseeinheiten technisch aufgefrischt wurden (z.B. Germaniumschaltelemente mit hohem Rauschen gegen moderne aus Silizium ausgetauscht wurden) konnte man die Bänder gut auslesen, da nun der Dynamikbereich weitaus größer war als bei den Originalbandlaufwerken verlor man auch keine Daten. Über 100 Originalbänder mussten ausgelesen, dupliziert und digitalisiert werden.

Die Daten wurden dann verarbeitet und es zeigte sich dass die Daten die Rekonstruktion von weitaus besseren Bildern zuließ als die bisher bekannten 35 mm Aufnahmen. Vor allem der Kontrastumfang war deutlich höher. Man führte dies auf die Eigenschaften der RCA C24031 Videoröhre zurück. Hilfreich war, dass auf den Originalaufnahmen ein Graukeil mit abgebildet worden war, so enthielten diese alle erforderlichen Informationen um die Daten zu kalibrieren.

Die Verarbeiteten Bilder sind in einigen Fällen wo die Kontraste sehr hoch sind und noch Artefakte hinzukamen sehr viel besser als die bekannten Bilder. Bei anderen Aufnahmen mit hohem Sonnenstand sind die Unterschiede nicht so offensichtlich.

Im Jahre 2011 wurde das LOIRP abgeschlossen. Es gelang nicht nur die Bänder zu lesen und die Bilder zu restaurieren. Sie sollen nun der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen und bei einer Google Maps Version des Mondes zu sehen sein. Vergleichen sie das Bild hier mit dem obigen Bild eines Erdaufgangs:

LOIRP

Startdaten

Erfolg Datum Nutzlast Trägerrakete
x 10.08.1966 Lunar Orbiter I SLV-3 Agena D
x 06.11.1966 Lunar Orbiter 2 SLV-3 Agena D
x 05.02.1967 Lunar Orbiter 3 SLV-3 Agena D
x 04.05.1967 Lunar Orbiter 4 SLV-3 Agena D
x 01.08.1967 Lunar Orbiter 5 SLV-3 Agena D

Online Quellen:

NASA Histories Online: SP-168 EXPLORING SPACE WITH A CAMERA

NASA Histories Online: SP-480 Far Travelers: The Exploring Machines

NASA Histories Online: SP-4901 Unmanned Space Project Management Surveyor and Lunar Orbiter

NASA Histories Online: TM-3487 Destination Moon: A History of the Lunar Orbiter Program

Lunar Orbiter Homepage

NSSC Lunar Orbiter Seite

MoonView: Unter anderem mit Informationen zum LOIRP.

Lunar Orbiter Photo Gallery: Mit über 2.600 Aufnahmen der Lunar Orbiter.

SAMOS To The Moon

© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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