Corona oder Gambit zum Mond?

Beim Apolloprogramm hatte man auch mal die Planung einer Apollo I Mission. Wie der Buchstabe verrät, war diese zwischen den ersten bemannten Mondlandungen (Apollo H: Apollo 11-14) und den erweiterten Mondlandemissionen (Apollo J: Apollo 15 – 17) geplant. Als man diese plante, ging man auch davon aus, dass es einen größeren zeitlichen Abstand zwischen der letzten Apollo H und der ersten Apollo J Mission geben würde. Das war durch Verzögerungen im Programm nicht der Fall. Zudem führte die Reduktion ab 1970 von vier auf zwei Missionen pro Jahr dazu, dass es keine Lücke gab. Programmtechnisch wäre es am besten gewesen die Apollo I vor den H durchzuführen, man hätte dann mehr Erfahrung mit dem CSM im Mondorbit gehabt, inklusive Einflüsse durch die Mascons unter den Mare, die ja bei Apollo 11 dazu führten, dass Apollo 11 den geplanten Landeplatz um mehrere Kilometer verpasste und in der Endphase der Landung dann wegen des Landens in einem felsenübersäten Gebiet recht spannend wurde.

Es waren eine Reihe von Experimenten für diese Missionen vorgesehen: Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer, Laserhöhenmesser. Die damals wohl interessanteste Nutzlast wäre ein Kamerasystem gewesen. Mit fotografischem Film erreichte man damals eine Auflösung, dank der Bestrebungen zur Aufklärung gute Fotos zu machen, so gute Auflösungen wie mit CCD-Sensoren erst Jahrzehnte später. Auf dieses Experiment will ich mich konzentrieren, auch weil man zwar eine Karte der Mondrückseite von den Lunar Orbitern hatte, aber diese wegen der begrenzten Bildmenge dieser Orbiter (212 Bilder pro Mission) und der primären Aufgabe die Apollo-Landeplätze auf der Vorderseite zu untersuchen, relativ grob war.

Man hat für die Apollomission schon die Lunar Orbiter konstruiert. Sie nutzten die Erfahrungen, die man mit dem Einsatz von Film im Corona und Samos-Programm gewonnen hatte. Es gab hier einige Probleme zu lösen wie den Transport des Films, das Vermeiden der Belichtung durch kosmische Strahlen, vor allem aber die Bewegungskompensation. Die Lunar Orbiter Kameras waren Neukonstruktionen, aber sie nutzten diese Erfahrungen. Sie basierten vor allem auf dem SAMOS System, bei dem man schon mit der elektrooptischen Abtastung von Film experimentiert hatte, das man zugunsten der Bergung des Films mit Kapseln und Bodenentwicklung unter besseren Bedingungen und besseren Möglichkeiten der Auswertung aufgab.

Eine Mission, die den Mond kartieren soll und das in einer hohen Auflösung, muss aber erheblich mehr leisten als die Lunar Orbiter, die einige Hundert Bilder machten, auch mehr als die Mapping-Kameras, die bei Apollo 15 bis 17 eingesetzt wurden und fast 1 km Film hatten. Die Spionagesatelliten des Coronaprogramms waren ausgelegt sehr große Gebiete abzulichten und Gambit konnte das in noch größerem Detail. Meine Idee: warum nicht ein Reserveexemplar eines Satelliten dieser Programme zum Mond schicken, anstatt eine Apollo I Mission durchzuführen.

Nötige Modifikationen

Corona und Gambit waren beide für kurze Betriebsdauern ausgelegt und batteriebetrieben. Hier würde sich die Mission über mindestens einen Monat hinziehen, bei der großen Oberfläche des Mondes wahrscheinlich mehrere Monate.

• Dazu braucht man eine Hochgewinnantenne um die Daten zur Erde zu übermitteln.
• Der Film würde an Bord entwickelt werden. Dazu gab es schon ein Verfahren, das man bei Lunar Orbiter einsetzte, indem man den Film gegen einen Zweiten presste, der Entwickler enthielt. Das anschließende Abtasten ist relativ einfach und geschah mit einer Photodiode und einem Lichtstrahl.
• Der Orbiter braucht einen Treibstoffvorrat, da Mondumlaufbahnen nicht stabil sind. Störungen durch Erde, Sonne und Massekonzentrationen unter der Mondoberfläche beeinflussen sie, außer man strebt eine bestimmte Umlaufbahn an, bei der sich die Störungen weitestgehend egalisieren, wie dies Lunar Reconnaissance Orbiter tut. LRO‘s Orbit hat nur einen Geschwindigkeitsbedarf von 5 m/s pro Jahr, während ein kreisförmiger 50 km Orbit einen Geschwindigkeitsbedarf on 139,7 m/s pro Jahr hat. Trotzdem ist das wegen der kurzen Betriebszeit kein Problem.
• Der Orbiter muss in eine Mondumlaufbahn gebracht werden. Dazu reicht ein geringes dV von maximal 900 m/s. Dies kann durch die letzte Stufe erfolgen oder einen eigenen Antrieb.

Vergleich der Kamerasysteme

An erster Stelle steht der Vergleich der Kamerasysteme von KH-4 (letzte Corona Generation) und KH-7 (erste Gambit Generation). Obwohl es zum Zeitpunkt von Apollo schon die zweite Generation von Gambit gab, habe ich diese nicht berücksichtigt, da sie zu schwer ist.

Die Tabelle führt die Daten der Systeme von Corona und Gambit auf:

	Corona Detailkamera	Corona Panoramakamera	Gambit KH-7 Detailkamera	Gambit KH-8 Detailkamera	Lunar Orbiter
Objektivdurchmesser:	16,4 cm	4 cm	49,5 cm	110,5 cm	10,9 cm
Brennweite:	61 cm	3,8 cm	195,6 cm	444,5 cm	61 cm
Blende F/D	3,5	1	4	4	5,6
Bildabmessungen (150 km Höhe)	14,4 x 217,9 km	308 x 308 km	17,67 km x variabel		19,9 x 54,1 km
Bodenauflösung:	1,8 m	162 m	0,6 bis 0,9 m		1 m
Blickwinkel:	5,12 Grad	70 Grad	6,4 Grad		5 x 20 Grad
Film:	2 ASA, 160 Linienpaare/mm	2 ASA, 160 Linienpaare/mm			SO-243, 500 Linienpaare/mm
Filmlänge:	70 mm Breite x 7.500 m		240 mm Breite, 7620 m Länge	12,7 und 24,1 cm Breite, bis 3733 m Länge	70 mm Breite, 63 m Länge, 212 Aufnahmen
Framegröße	54,5 x 745 mm		221,4 mm x 900 mm 300 – 600 Stereopaare pro Rolle		51,7 x 297.6 mm
Belichtungszeit:	2,11 bis 3,82 ms (1/500 bis 1/250 s)				1/25 bis 1/100 s
Theoretische Bodenauflösung aus 150 km Entfernung.	0,80 m		0,20 m	0,09 m	3,26 m
Abmessungen:	172, 7 x 157,5 x 165,1 cm
Gewicht:	514,8 kg		500 kg + 23,6 kg Film	1.873 kg (Kamera mit Film)	64 kg
Kamerahersteller:	ITEK	ITEK	KODAK	KODAK	KODAK

 

Zuerst mal eine Erklärung. Es überrascht, dass die KH-7 Kamera bei doppelt, bis dreifach höherer Auflösung nur wenig mehr als die Corona Kamera wiegt. Das liegt daran, dass die Optik den kleinsten teil des Systems ausmacht. Ein Volltubus eines Schmidt-Cassegrains in dieser Größe wiegt 30 kg, der kleinere beim Corona dann rund 8 kg. Die 22 kg Mehrgewicht ist vernachlässigbar bei 500 kg Gesamtgewicht.

Die Kameras waren damals technologische Spitzenprodukte gegen die die heutigen Detailaufklärer primitiv wirken: Sie erfassten nicht ein Bild, sondern einen Streifen von bis zu 70 Grad quer zur Flugrichtung. Die Kamera wurde also gedreht, gleichzeitig musste synchron zur Bewegung der Film transportiert werden, sodass der Streifen ein Bild ergab, dass bei Corona bis 745 mm lang war. Gleichzeitig musste die Kamera aber die Bewegung des Satelliten relativ zur Erdoberfläche (rund 7,5 km/s) kompensieren. Bei Belichtungszeiten von rund 1/250 bis 1/500 s wären sonst alle Details kleiner als 15 bzw. 30 m verschwommen. Diese Bewegungskompensation wurde immer besser. Beim Corona-System stieg der Durchmesser des Objektivs z.B. über vier Generationen nur von 12,2 auf 16,5 cm, aber die Bodenauflösung von 12 auf 1,8 m. Auch Gambit erzeugte bei gleicher Kamera am Schluss Bilder mit 50% höherer Auflösung.

Das Erste daher mal das Rückrechnen, wie groß die globale Auflösung sein kann. Dazu ist die Filmmenge ausschlaggebend. Ich habe quadratische Aufnahmen angenommen, 20 % unbelichteter Film zwischen zwei Aufnahmen und 20 % Reserve um Aufnahmen zu wiederholen. Dann kann man leicht berechnen, wie groß ein Bild sein muss, damit man mit dem ganzen Film den Mond einmal erfassen kann.

 

	Corona Detailkamera	Gambit KH-7 Detailkamera
Bilder:	95.565	23.896
Bildgröße: 10 % Überlappung:	27,5 km	55 km
Pixel/Bild	304 MPixel	5.019 MPixel
Bodenauflösung:	3,43 m	1,12 bis 1,68 m
Orbithöhe:	287 km	311 km

Alleine mit einer Rolle Film (die Satelliten hatten mehrere Rollen an Bord, KH-4 z.B. 72 km reicht für Aufnahmen von 1-3 m Auflösung, eine Auflösung, die man von der Erde nur von wenigen Regionen damals hatte. Dabei gibt es berechtigte Hoffnung das die erzielte Auflösung noch höher gewesen wäre: Die Auflösung war begrenzt durch die Bewegungskompensation, die zwar immer besser wurde, aber noch lange nicht die theoretische Auflösung der Optik beim gegebenen Film erreichte und durch die Unschärfe aufgrund des Funktionsweise als „Stripkamera“ – es wurde nur durch einen Schlitz ein Streifen belichtet, während der Film sich bewegte. Das erzeugte zusätzliche Unschärfe. In einem Mondorbit bewegt sich der Satellit aber fünfmal langsamer als in einem Erdorbit.

Man kann als Vergleich den Lunar Orbiter nehmen. Er erreichte 1/3.6-tel der theoretischen Auflösung des Objektivs als nutzbare Auflösung bei demselben Prozess. Das entspräche 3,8 m bei der Corona-Kamera und 1,36 m bei Gambit.

Datenübertragung

Ein Problem ist die Übertragung der Datenmenge. Schon Lunar Orbiter brauchte 43 Minuten um eine Aufnahme, die allerdings nicht quadratisch war, zu übertragen. Nimmt man zwei Abtastungen pro Detail /entsprechend der Definition von Linienpaaren/mm) so kommt man auf die oben stehenden Pixelmengen. Lunar Orbiter übertrug analog (indem man die Helligkeitswerte einem 10-MHz-Trägersignal aufmodulierte) mit 32.000 Zeichen pro Sekunde. Das damals schnellste Magnetbandlaufwerk von IBM, das IBM 2420 hatte eine Schreibgeschwindigkeit von 320.000 Zeichen/s. Nimmt man konservative 250.000 Zeichen/s an, so bräuchte die Übertragung einer Aufnahme 1.216 bzw. 20.076 s. Für alle Aufnahmen dann 1.345 bzw. 5.552 Tage. Das ist viel zu lange. Beschränkt man sich auf 4 m Auflösung/Pixel (nicht Linienpaar) so sind es noch 163 Tage. Da ein Funkkontakt nur über 60% des Orbits möglich ist, erreicht man, wenn man als Missionszeit 1 Jahr ansetzt, so kann man eine Auflösung von 3,44 m erreichen, die Corona liefert.

Die Datenübertragung zur Erde ist kein Problem. Aus 100 Millionen km Entfernung übertrugen Mariner 6+7 16.200 Bits/s zu der 64-m-Antenne von Goldstone. Heruntergerechnet auf maximale Monddistanz (400.000 km) und die kleineren, aber in größerer Zahl vorhandenen 26 m Antennen sind dies 167 Mbit/s. Da sind die 2 Mbit/s die man für die Daten mit 250.000 Pixel/s braucht, relativ wenig. Die Übertragung würde analog erfolgen, so wie damals beim Fernsehen auch, bei dem schon normale Telekommunikationssatelliten 4-5 Millionen Pixel pro s übertrugen.

Eine höhere Datenrate wäre möglich wenn man die Daten nach dem Empfang erst auf Magnetplatte speichert, und ein Magnetplattenlaufwerk dann mehrere Magnetbandlaufwerke ansteuert, also die Magnetplatte als Zwischenpuffer nimmt. So was setzte man bei der Wandlung der TV-Aufnahmen von Apollo ein. Ein direktes Abspeichern im Hauptspeicher ist bei den Datenrate damals nicht möglich. Die größten Rechner hatten damals 1-2 MByte Speicher, die wären bei 250.000 Zeichen/s in 4-8 s voll. Ein CDC-6638 Plattenlaufwerk hat eine Datenrate von 1,68 MByte/s, 25% Sicherheit und Teilen durch 2 (lesen und schreiben parallel) führt dann zu einer Datenrate von 672.000 Zeichen/s – korrespondierend mit 2,1 m Auflösung. Das wäre, wenn man mehrere Plattenlaufwerke parallel einsetzt noch steigerbar.

Lunar Orbiter las nur ein Pixel aus, durch eine Photodiode. Es ist leicht die Ausleserate zu erhöhen, wenn man einfach ein Array von Photodioden einsetzt. Es empfiehlt sich aber noch ein zweites System einzubauen. Da man nicht sicher sein kann, ob der Film so belichtet ist wie gewünscht und die gewünschte Szene zeigt (dafür wurden ja auch 20% des Films reserviert) sollte man Bilder schnell begutachten können. Daher wäre ein TV-System mit einer normalen Auflösung, z.B. 625 Zeilen zusätzlich nötig. Es nimmt ein Bild auf und erlaubt eine schnelle Vorschau, da man nur einen Bruchteil des Informationsgehaltes übertragen muss.

Alternative Rückkehrkapsel

Anstatt wie bei Lunar Orbiter die Bilder zu scannen kann man natürlich auch den Weg beschreiten den man bei Corona und Gambit machte – der Film wird in eine Rückkehrkapsel umgespult und diese zur Erde geschickt. Man könnte dann den Satelliten unverändert einsetzen, denn dann reduziert sich die Missionsdauer auf einen Monat. Modifiziert muss nur die Rückkehrkapsel werden. Man würde sie auf einen kleinen Satelliten setzen, der einen integrierten Antrieb hat. Der müsste nicht viel leisten. Ein Sender erlaubt es von der Erde aus die Position zu bestimmen, mit einem Kommandoempfänger würde er dann die von der Bodenstation berechnete Ausrichtung und Zündzeit empfangen. Zur korrekten Ausrichtung reicht wie bei anderen Raumsonden ein Sonnen- und Kanopus-Sternsensor. Damit liegen zwei Punkte im Raum fest. Nimmt man 100 kg Trockenmasse (ohne antrieb) dafür an, 900 m/s Geschwindigkeitsänderung und die 170 kg für die Kapsel von Gambit, so ist man bei einer Startmasse von rund 390 kg. Daher wäre es zu prüfen, ob dies vom Gesamtgewicht her möglich ist.

Startmöglichkeiten

Mit der geringen Auflösung braucht man nicht die letzte Generation der Coronas. 4 m Bodenauflösung aus 166 km Höhe erreichte auch schon KH-3, wobei es beim Mond anders als auf der Erde, auch die Möglichkeit gibt, sich näher der Oberfläche zu nähern. Die KH-3 Satelliten wogen 1.1.50 kg. Die Gambits 2.000 kg.

Beide brauchen mindestens eine Titan 3C um zum Mond zu gelangen. Diese kann 3.150 kg zum Mond transportieren. Ausreichend für einen Corona-Satelliten, beim Gambit wird es wegen des noch benötigten Antriebs knapp. Wesentlich sinnvoller ist es aber die Agena Oberstufe einzusetzen, da sie mit den Satelliten „verbandelt“ ist. Diese kann auch das Einschwenken in den Mondorbit durchführen. Wegen der geringen Leermasse der Agena ist die Nutzlast einer Titan 3D Agena höher: 3823 kg, wenn sie anstatt der Transtage eingesetzt wird. Zudem übernimmt dann die Agena auch die Bahnkorrekturen und das Einschwenken in die Mondumlaufbahn. Nimmt man eine Geschwindigkeitsänderung von 1050 m/s an (900 m/s einbremsen, 150 m/s für Orbitkorrekturen über 1 Jahr) so setzt die Agena 2.471 kg in einen Mondorbit ab. Das ist mehr als ausreichend für einen Gambit, es würde sogar für die Option mit der Kapselbergung reichen.

Kostenabschätzungen

Das Ganze lohnt sich nur wenn man einen Gambit oder Corona übrig hat. Das dürfte der Fall sein, einige stehen ja in Museen rum. Dann käme noch der Start mit 23,2 Millionen für einen Titan 3C, mit der Agena wahrscheinlich billiger, hinzu. Die Alternative ist Lunar Orbiter. Er lieferte ja schon Aufnahmen von 1 m Auflösung, wenn auch aus 50 km Höhe. Nur war sein Filmvorrat auf 212 Bilder beschränkt. Das sollte kein Problem sein, mit einem entsprechenden Vorrat an Film, stärkeren Sendern für eine größere Datenmenge sollte auch der Lunar Orbiter den Job erledigen. Der originale Lunar Orbiter wog 380-375 kg. Eine Atlas SLV3-C Centaur brachte 1135 kg auf Fluchtgeschwindigkeit, das wären im Mondorbit noch rund 750 kg, ohne Antriebssystem etwa 670 kg. Das ist ein komfortables Polster für mehr Film. Das gesamte Lunar Orbiter Programm hat bei 5 Orbitern 200 Millionen Dollar gekostet, die Fertigung eines weiteren Exemplars 13 Millionen Dollar, dazu der Start mit der Atlas Centaur: 14 Millionen Dollar. Man spart also nicht viel ein. Es wird noch weniger wenn man auf die ab 1968 verfügbare SLV-3A Agena D übergeht, die auch 650 kg zum Mond befördern konnte – bei ihr kostete die Rakete (ohne Startoperationen ) nur 4 Millionen Dollar. Dann ist sogar gar keine Einsparung mehr vorhanden. So verwundert es nicht das die NASA ihre Lunar Orbiter entwickelte, anstatt sich eines Spionagesatelliten zu bedienen – es war die günstigere Lösung,