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Das Luna Programm

Einleitung

Das sowjetische Luna Programm ist sehr umfangreich. Es besteht aus 24 Sonden die wenigstens eine Bahn zum Mond erreicht haben, sowie fast genauso viele Fehlstarts. Betrachtet man das Programm jedoch genauer, so handelt es sich um eine Reihe von weitgehend identischen Sonden. Im folgenden wird das Luna Programm daher nach Sondentypen gegliedert und zuerst deren Funktion besprochen. Danach schließen sich die Missionen an.

Die ersten 3 Sonden benannte die Sowjetunion auch Lunik. (In Anlehnung an den Sputnik). Als die folgenden dann aber Luna benannt wurden, sprach man auch bei den ersten 3 Sonden von Luna.

Charakteristisch für das Mond Programm der UdSSR sind sehr viele Fehlstarts, vor allem in der Anfangsphase wie auch als später eine stärkere Trägerrakete eingeführt wurde. Dies liegt großenteils an den Raketen. Sowohl die Molnija wie auch die Proton Trägerrakete haben bis heute eine nur mittelmäßige Zuverlässigkeit. Die Sowjets haben Sonden erst benannt, nachdem sie mindestens einen Erdorbit erreicht haben. Es gibt also keine Namen für Fehlstarts. Ich habe diese daher nach der ersten erfolgreichen Sonde eines Programms benannt, erweitert mit einem Buchstaben. Dies ist jedoch rein willkürlich. Es gibt keine Systematik dafür.

Erreichte eine Sonde mindestens einen Erdorbit, verließ diesen aber durch einen Fehler der Oberstufe nicht, so erhielt die Sonde einen Namen der sie als Sputnik oder Kosmos Satellit ausgab.

Obgleich das Luna Programm 24 namentlich erwähnte Starts und noch 20 weitere Sonden umfasst die nicht glückten handelt es sich technisch gesehen um lediglich um 4 Progranne:

• Luna E-1 : Die ersten beiden Luna Sonden (Luna 1+2) mit dem Ziel eines Mondaufschlags. Von diesem Sondentyp wurden 6 Sonden gebaut
• Luna E-3 : Erfolgreich davon war nur Luna 3. Ziel dieser Sonden war es Bilder der Mondrückseite anzufertigen. Sie basierten auf dem Luna E-1 Programm. Es wurden zwei Sonden gebaut.
• Luna E-6 : Ziel dieses Programmes war die weiche Landung auf dem Mond. Als diese gelang wurden einige Sonden auch als Mondorbiter eingesetzt. Dieses war mit 21 Sonden, davon nur 11 keine Fehlstarts das größte Programm
• Luna E-7 und Luna YE-8 : Dieses Programm umfasste die schwersten und anspruchsvollsten Sonden. Einem gemeinsamen Bus der entweder in einen Orbit einschwenken konnte oder auf dem Mond landen konnte wurde als Nutzlast entweder eine Rückstartstufe zur Mondprobengewinnung oder ein Mondauto (Lunochod) oder ein Orbiter (basierend auf dem Lunochod) mitgegeben. (Luna 15 bis 24)

Aufschlag auf dem Mond (Luna 1+2)

Es ist heute kaum zu glauben, das kaum ein Jahr nach Start des ersten Satelliten es schon ein Wettrennen um den Flug zum Mond gab. Schließlich braucht man etwa 3.4 km/s mehr Geschwindigkeit um den Mond zu erreichen, was bei den damals verfügbaren Raketen auf eine Reduktion der Nutzlast auf ein Fünftel hinaus lief.

Um diesen Wettlauf zu gewinnen, wurde in der Sowjetunion eigens eine Interim Oberstufe, der Block E für die Sputnik Trägerrakete eingeführt, die innerhalb eines Jahres entwickelt wurde. Da die spätere Standard Oberstufenkombination wie sie bei der Molnija eingesetzt wurde noch nicht zur Verfügung stand. Die Oberstufe rund um das Triebwerk RO-5 wurde von dem Konstruktionsbüro um Kosberg entwickelt. Mit dieser Trägerrakete konnten etwa 400 kg zum Mond befördert werden, das war zwar deutlich weniger als die spätere Molnija (1500 kg), aber immer noch 10 mal mehr, als die Amerikaner starten konnten. Die Sowjets nannten diese Rakete "Luna". Dies sollte eine neue Trägerrakete vortäuschen, während in Wirklichkeit nur bestehende Semjorka Trägerrakete (die man als "Sputnik" bezeichnete) um eine Stufe erweitert wurde. Es gab anders als bei der Sputnik Version der Trägerrakete sehr viele Probleme mit dieser Rakete. Von sechs Starts gelangen nur zwei, wobei der Fehler in allen Fällen nicht in der neuen Stufe, sondern der Zentralstufe und den Boostern lagen. Eventuell beeinflusste die neue Oberstufe das Resonanzverhalten der Rakete. Zwei der Fehlstarts beruhen auf den in der Raketentechnik gefürchteten POGO Schwingungen.

Weiterhin musste man den Mond direkt anfliegen, d.h. ohne vor her in eine Erdbahn einzutreten, da die letzte Stufe gezündet wurde während der Zentralblock noch arbeitete. Das erforderte einen sehr genauen Einschuss, denn die Sonden konnten ihre Bahn nicht korrigieren. Doch das konnten die Amerikaner damals auch noch nicht.

Luna 1+2 sind weitgehend identische Sonden, die etwas an den Sputnik erinnern. Es wurde ein bei Sputnik bewährtes Prinzip eingesetzt: Die Sonden waren abgeschlossene Kugeln , innen mit Stickstoff gefüllt, welcher von einem Ventilator umgewälzt wurde. Da die experimentelle Ausrüstung minimal war konnten sich die Sowjets diese schwere, aber robuste und den Betrieb sehr vereinfachende Konstruktion einsetzen. Intern hieß das Programm E-1.

Der kugelförmige Behälter aus einer Aluminium / Magnesiumlegierung hatte 1.45 m (Luna 1) bzw. 1.60 m (Luna 2) Durchmesser. Ihre Dichte wurde mit 1 g/cm² angegeben, so wog die Hülle alleine 88 kg bei Luna 1 beziehungsweise 107 kg bei Luna 2. An der Hülle waren sechs Funkantennen als Stabantennen und ein Mast mit einem Magnetometer befestigt. Innen befand sich eine Ionenfalle (Geigerzähler und Szintillationsdetektor) und ab Luna 2 ein Mikrometeoritendetektor.

Ein Sender bei 19,993 MHz übertrug in 50,9 s einen Datensatz der Experimente. Zwei Sender bei 183,6 und 70,2 MHz dienten der Bahnverfolgung. Die Stromversorgung wurde durch Silber-Zinkbatterien gewährleistet.

Experimente

Das Prinzip des Mikrometeoritendetektors beruhte auf der Akustischen Detektion von Mikrometeoriten. Nahezu jede sowjetische Raumsonde verwandte derartige Detektoren, wenngleich sie im Laufe der Jahre verbessert wurden. Bei Luna 2 bestand der Detektor aus einer Metallplatte, die mit Federn an der Hülle angebracht war. Darunter befand sich ein Ammoniumphosphat Einkristall. Dieser hat piezoelektrische Eigenschaften, gibt also bei Druckveränderungen eine Spannung ab, die man messen kann. Direkt konnte man Einschläge auf der Metallplatte zählen, während Signale die durch die Federn von Einschlägen auf der Hülle weitergegeben wurden nur als Summenparameter bestimmt werden konnten.

Innerhalb der Hülle waren Gasentladungsdetektoren (Geiger-Müller Zähler) montiert. Die Hülle diente als Schutz vor niedrigenergetischen Teilchen, da Geigerzähler jede Art von Strahlung inklusive Gammastrahlung detektieren. Der Zähler vom Typ STS-5 hatte eine Länge von 9 cm bei einem Durchmesser von 1 cm. Luna 2 hatte 6 dieser Detektoren an Bord die sich in der Dicke einer zusätzlichen Kupferummantelung unterschieden. Dadurch konnte man Aussagen über die Energieverteilung der kosmischen Strahlung machen.

Dazu kamen als Szintillationsdetektoren ein Cäsiumiodid und zwei Natriumiodidkristalle. Sie maßen niedrigenergetische Elektronen, die einen Blitz im Kristall erzeugten, welcher von Photomultipliern verstärkt wurde.

Weiterhin wurde ein Cerenkov Detektor eingesetzt. Bei diesem Detektor verursacht ein hochenergetisches Teilchen wenn es ein transparentes Medium durchquert einen Blitz, da die Lichtgeschwindigkeit im Medium geringer als im Vakuum ist (vergleichbar einem Überschallknall). Der Detektor war von 5 Raumseiten abgeschirmt, an der offenen Seite befand sich die Öffnung einer Photomultiplierröhre, die den Blitz detektierte. Als Medium diente eine darüber liegende Halbkugel aus Plexiglas die wiederum von einem Aluminiumschild gegen niedrigenergetische Teilchen abgeschirmt war. Mit diesem Detektor wurden hochenergetische Teilchen und schwere Ionen bestimmt.

Die Detektoren für Protonen und Elektronen bestanden aus einer halbkugelförmigen Abschirmung und einem Metallgitter aus Wolfram das eine Spannung gegen eine darunter liegende Nickelplatte von +10 V (Luna 1) bzw. +15 V (Luna 2 ) aufwies. Die Spannungsdifferenz wurde durch eine Schaltung auf 0 gebracht und ein einschlagendes Teilchen induzierte eine Spannung die gemessen werden konnte. Luna 2 soll insgesamt 4 dieser Detektoren mitgeführt haben. Empfindlich für Elektronen mit mehr als 350, 650 und 1.100 keV.

Das mitgeführte Magnetometer war ein Fluxgate Magnetometer, bei dem zwei Permanentmagneten innerhalb eines Spulenpaares sitzen. Diese induzieren einen Strom und die beiden Spulen sind so verschaltet, dass die beiden Ströme sich aufheben. Ein äußeres Magnetfeld beeinflusst das Magnetfeld der Kerne, wodurch eine Spannung entsteht. Gemessen kann so die Stärke des Magnetfeldes in einer Raumrichtung. Luna 1+2 hatten jeweils 3 Sensoren die senkrecht aufeinander standen um die Stärke in allen 3 Raumrichtungen zu messen. Ein baugleiches Instrument wurde bei Luna 3 eingesetzt. Es maß das Magnetfeld im Bereich von 600 bis 3.000 nT mit einer Auflösung von 47 nT.

Es gab keine Möglichkeit zur Kurskorrektur. Zur Bahnbestimmung trugen beide Sonden Behälter mit Natrium, das entlassen wurde, und von Teleskopen als leuchtende Wolke ausgemacht werden konnte. Die Stromversorgung geschah durch Batterien. Es gab drei Sender bei 20, 29.8 und 183.6 MHz.

Luna 1 wog 361.2 kg, Luna 2 wog 390 kg. Mit den vergleichsweise leichten Sonden gelangte auch die mit 1.500 kg viermal schwere Drittstufe auf eine Bahn zum Mond.

Fehlstarts

Nach den ersten beiden Starts konnten Resonanzschwingungen der Zentralstufe als gemeinsame Ursache festgestellt werden. Sie entstanden, weil sich durch die Oberstufe der Schwerpunkt der Rakete verschoben hatte und so ein anderes Schwingungsverhalten resultierte. Es gab Änderungen und damit hatten die anderen Fehlstarts eine andere Ursachen.

Luna 1 (2.1.1959)

Luna 1 sollte auf dem Mond aufschlagen und führte dazu einige massive Metallkugeln mit, welche die sowjetischen Hoheitszeichen (Hammer und Sichel) enthielten, und auch einen Aufschlag überlebt hätten. Als man nach dem Start am 2.1.1959 erkannte, dass die Sonde den Mond nicht erreichen würde, aber das Erde-Mond System verlassen wird, taufte man es in "Metschta" (Traum) um. Dies war eine Anlehnung an den Menschheitstraum die Erde zu verlassen.

In einer Distanz von 113.000 km wurde eine Natriumwolke aus einem Kilogramm Natrium ausgestoßen. Dieses wurde durch den Sonnenwind ionisiert und die leuchtende orangene Wolke teilte so den Ort der Sonde mit. Am 4.1.1959 passierte die Sonde nach 34 Stunden Flugzeit den Mond in 5.955 km Entfernung. Die Kommunikation konnte bis zu einer Entfernung von 600.000 km aufrecht erhalten werden. Dann waren die Batterien erschöpft.

Luna 2 (12.9.1959)

Nachdem die Erstleistung eines Mondvorbeifluges erbracht war und auch die Amerikaner Rückschläge verbuchen mussten (Von ihren 5 Pioneer Sonden die zum Mond aufbrechen sollten war auch nur eine erfolgreich), konnte man sich für die nächste Sonde mehr Zeit lassen und das Trägersystem verbessern.

Luna 2 ähnelte Luna 1 in ihrem Aufbau, war jedoch etwas größer und schwerer. Nach dem Start am 12.9.1959 stieß auch Luna 1 in 112.000 km Entfernung eine Natriumwolke aus. Diese betätigte, das diesmal der Körper auf Kollisionskurs mit dem Mond war. Am 14.9.1959 schlug die Sonde bei 29.10 Nord, 0.00 West auf. Die Signale der Sonde verstummten abrupt. Eine halbe Stunde später schlug auch die Oberstufe auf dem Mond auf.

Auch wenn beide Sonden nur kurz Aktiv waren. So lieferten Sie doch einige Ergebnisse. Sie maßen, dass der Sonnenwind eine Geschwindigkeit von 400 km/s hatte und vorhanden war. Er war von dem deutschen Physiker Ludwig Biermann postuliert worden um unter anderem die Schweifstruktur von Kometen zu erklären. Im Westen konnte der Sonnenwind erst durch Mariner 2 im Jahre 1962 nachgewiesen werden.

Bilder der Mondrückseite (Luna 3)

Das nächste Ziel war es nun die von der Erde abgewandte Seite des Mondes zu fotografieren. Von der Erde aus ist diese nicht einsehbar, da der Mond synchron zur Erde rotiert, d.h. in einer Erdumkreisung dreht er sich einmal um die eigene Achse. So sehen wir von der Erde nur die Hälfte des Mondes. Da die USA ihr Mondprogramm öffentlich machten war Korolojew darüber informiert, was sie als nächsten planten - einen Mondorbiter der mit einer einfachen Photozelle auch die Mondoberfläche und damit die bisher unbekannte Rückseite fotografieren konnte. Seine Ingenieure waren noch nicht soweit, als dass die einen Orbiter hätten bauen können, so kam er auf eine andere Lösung um die Mondrückseite zu fotografieren - eine Sonde sollte in eine elliptische Erdumlaufbahn geschossen werden, die hinter dem Mond vorbeiführt. Sie kann dann bei der Passage die Mondrückseite fotografieren. Sinnvollerweise startet man diese daher rund um Neumond.

Luna 3 war nur die einzig erfolgreiche einer ganzen Serie von identischen Sonden. Die Sonde wog 278.5 kg. Wie Luna 1+2 war Luna 3 hermetisch abgeschlossen und bestand aus einem Zylinder mit einem halbkugeligen Abschluss. Der maximale Durchmesser betrug 1.20 m. Die Länge ohne Antennen 1.3 m. Der innere Zylinder hatte einen Durchmesser von 95 cm und wurde unter 0.23 Bar Druck gesetzt. Solarzellen und Batterien lieferten Strom, Jalousie-Blenden (Louver) regelten die Temperatur im inneren. Sie wurden geöffnet wenn die Temperatur 25° überstieg. Anders als Luna 1+2 verfügte die Sonde über ein Lageregelungssystem am unteren Teil, wo sich auch zwei der sechs Antennen befanden. Luna 3 war die erste Sonde, die ein Lageregelungssystem einsetzte. Auf dem Weg zum Mond war die Sonde spinstabilisiert, für die Aufnahmen wechselte sie auf eine Dreiachsenstabilisation. Dazu richtete sie sich die Rotationsachse mit Düsen die komprimierten Stickstoff freisetzten zur Sonne aus. Die Spinstabilisierung wurde durch Korrekturdüsen gestoppt, wenn ein lichtempfindlicher Sensor nahe der Kamera das Licht des Mondes detektierte. Mittels Sternsensoren (Photozellen) konnte die Sonde sich auf ihr Ziel Mond ausrichten. Die Stabilisierung der einmal erreichten Lage erfolgte durch ein Kontrollsignal, das von einem Gyroskop stammte. Eine Kurskorrektur war jedoch nicht möglich. Zwei Sender bei 39.986 und 183.6 MHz waren für die Kommunikation zuständig. Es gab zwei Übertragungsraten. Eine niedrige für die Übertragung aus Mondentfernung und eine höhere, wenn sich die Sonde der Erde näherte. Die Sendeleistung soll bei einigen Watt gelegen haben. Luna 3 machte extensiven Gebrauch der damals neuen Transistortechnik für die Verstärker des Senders.

Das Bildsystem bestand aus zwei Kameras mit 200 mm (f/5.6) bzw. 500 mm (f/9.5) Brennweite. Diese schauten aus einem Fenster an der Oberseite des halbkugeligen Abschlusses. Die Kamera mit der kürzeren Brennweite bildete aus der Vorbeiflugdistanz den ganzen Mond ab, die andere einen Ausschnitt. Die Kameras belichteten 35 mm Luftbildfilm, der an Bord entwickelt, fixiert und aufgewickelt wurde. Es gab zwei Belichtungszeiten von 1/200 und 1/800 Sekunde. Danach wurde das Negativ abgetastet und die Helligkeitswerte zur Erde gesandt. Dies geschah als analoge Faksimile Bilder durch einen Photomultiplier als Detektor. Die Zeilenzahl war variabel. Maximal 1000 Pixel pro Scanzeile waren möglich. Es wurde temperaturbeständiger 35 mm Film verwendet. Für 40 Bilder reichte der Vorrat. Die 200 mm Kamera erfasste die ganze Oberfläche, die 500 mm Kamera ein größeres Gebiet der Oberfläche. Die Aufnahme startete automatisch wenn der Mond ins Gesichtsfeld der Kamera kam (detektiert durch eine Photodiode). Man variierte systematisch die Belichtungszeit um zumindest einige richtig belichteten Aufnahmen zu haben. Das Kamerasystem war gegen die kosmische Strahlung abgeschirmt um eine vorzeitige Belichtung des Films zu vermeiden. Nach einem Gerücht soll es sich um amerikanischen Film gehandelt haben, der aus Spionageballons geborgen wurde. Angesichts der schlechten Bildqualität erscheint dies aber zweifelhaft.

Übertragen wurden die Daten kontinuierlich bei 183.6 MHz mit zwei Abtastraten von 1.25 Zeilen/Sekunde in Mondentfernung oder 50 Zeilen/Sekunde in Erdnähe.

Weitere Experimente waren ein Mikrometeoritendetektor und ein Messgerät für kosmische Strahlen. Wie bei Luna 1+2 baute man drei Exemplare um gegen Fehlstarts gefeit zu sein. Erstaunlicherweise klappte hier der erste Start sofort. Da man mit mehr Fehlschlägen rechnete, startete man die schon produzierten Sonden trotzdem. Von diesen war jedoch keine erfolgreich. Die beiden Fehlstarts sollen fortgeschrittene Versionen gewesen sein, mit stärkeren Sendern aber einem anderen Kamerasystem das für ein zweites Projekt entwickelt wurde, das aber dann eingestellt wurde.

Fehlstarts

Luna 3 (4.10.1959)

Luna 3 startete am 4.10.1959, propagandistisch an dem zweiten Jahrestag von Sputnik 1. Anders als bei ihren beiden Nachfolgern Luna 3A und Luna 3B klappte der Start hier. Nach dem Start wurde festgestellt, dass das Signal der Sender nur halb so stark war wie erwartet und die Temperaturen ansteigen. Man stoppte die Rotation, richtete Luna 3 neu aus und die Temperaturen sanken von 40 auf 30 Grad – immer noch höher als die 25 Grad die eingehalten werden sollten.

 Luna 3 wurde trotz ihres im Vergleich zu Luna 2 geringeren Gewichtes nicht in eine interplanetare Bahn, sondern in eine Bahn von 450.000 km Erdferne befördert. Diese Bahn beförderte Luna 3 bis auf 6.200 km an den Mond heran. In einer Distanz von 66.700 bis 63.500 km machte die Sonde 29 Bilder die 70% der Mondrückseite zeigten. Der Mond lenkte die Sonde wieder zur Erde um und veränderte die Bahn in eine von 46.500 × 470.000 km Erdentfernung. Dies war am 7.10.1959.

Die Bilder am 8.10.1959 wurden zur Erde übertragen, dies klappte jedoch zuerst nicht. Als sich die Sonde wieder auf 47.500 km der Erde näherte, kam es zu einer zweiten Übertragung. Übertragen wurden mit Sicherheit die Frames 26 bis 38. 17 der 29 Bilder wurden von den Sowjets für gut erklärt und davon lediglich sechs veröffentlicht. Die anderen sind wahrscheinlich unbrauchbar. Sie zeigen jedoch wenige Details. Die Bilder haben einen geringen Kontrastumfang und sind stark überbelichtet. Trotzdem konnte man erkennen, dass es auf der Mondrückseite sehr wenige Mare gibt. Einige Formationen wurden von sowjetischen Wissenschaftlern benannt. Die meisten Namen der Sowjets wurden von der internationalen Astronomischen Union aber nicht übernommen. Die Bahn der Sonde war durch ihr hohes Perigäum nicht stabil, so dass die Sonde durch Störungen von Erde und Mond schon am 28.4.1960 wieder in der Erdatmosphäre verglühte.

Ein weiteres Ergebnis war, dass der Mond fast kein Dipol-Magnetfeld aufweist. Luna 3 konnte die maximale Feldstärke zu 50 Gamma bestimmen, weniger als ein 1/400 der geringsten Stärke des Erdmagnetfeldes.

Weiche Landung auf dem Mond (Luna 4-9, 13)

Es gab nun eine Pause von 3 Jahren. Danach strebten die Sowjets das nächste Ziel an: Eine weiche Landung auf dem Mond. Nun stand auch die vierstufige Molnija Rakete zur Verfügung. Diese erhöhte die Nutzlast von 300-400 auf 1500-1600 kg. Die Raumsonden ab Luna 4 gehörten nun zu zweiten Generation sowjetische Mondsonden. Da man wusste das die Amerikaner ihr Surveyor Programm auch noch nicht starten konnten, da sie Verzögerungen bei der Entwicklung der Centaur Oberstufe hatten, konnte man sich Zeit lassen.

Luna 4-9 und 13 waren zwischen 1.422 und 1.600 kg schwer, wobei die Sonden im Laufe der Entwicklung immer schwerer wurden. Der Lander selbst wog lediglich 82 bis 100 kg. Der Behälter hatte eiförmiges Aussehen und war hermetisch abgeschlossen. Der Durchmesser betrug 0.58 m. Nach der Landung klappte er vier Seitenflächen auf, welche die Antennen und Instrumente freigaben und auch den Lander gegen Umkippen schützten.

Transportiert wurde er von einem viel größeren Bus. Diese besaß eine eigene I-100 Steuereinrichtung mit optischen Sensoren, Kreiseln und einer Funkeinrichtung. Die Ausrüstungssektion des Busses war unter Druck (1,2 Bar Stickstoff) . Er wurde nur mit Batterien mit Strom versorgt. An ihm an der Seite angebracht waren das Landeradar, Sensoren und Steuerung für den Flug zum Mond mit eigener Steuerung und ein Lageregelungssystem das mit Stickstoff arbeitete. Diese bis zu 300 kg schwere Ausrüstung wurde abgeworfen sobald das Haupttriebwerk gezündet wurde.

Erstmals war auch eine Kurskorrektur (ab Luna 5) möglich. Die Steuerungseinheit wurde in 8300 km Höhe zum Mond so ausgerichtet, dass das Triebwerk nach unten zeigte. In 75 km Höhe wurde es durch einen Radarhöhenmesser aktiviert und bremste die Kapsel ab. Vorher, schon in 250 km Höhe wurden die Airbags der Landesonde aufgeblasen auf 1 Bar Druck. 250 m über der Oberfläche wurde es ebenfalls durch Radarmessung (erreichen einer Sollgeschwindigkeit) abgeschaltet und die vier Steuertriebwerke bremsten die Kombination weiter ab.

Erst kurz vor der Oberfläche wurde die Landekapsel von der Bussektion abgetrennt und landete sanft durch Airbags. Das Signal lieferte ein Bodensensor an einem  Ausleger. Er berührte in 5 m Entfernung den Boden und löste das abtrennen aus. Die Landung erfolgte dann mit 22 km/h-

Luna 4-14 setzten denselben Bus mit einem Triebwerk des Typs KTDU-5A ein. Der Bus wog leer 138.2 kg. Davon entfielen 48 kg auf das Triebwerk. Der Schub betrug 45.5 kN. Dazu kamen drei Steuertriebwerke mit jeweils 0.245 kN Schub. Sie nutzten das Abgas des Gasgenerators zur Lagekontrolle. Das Triebwerk arbeitete mit einer Turbopumpe, die einen Brennkammerdruck von 62.8 Bar erreichte. Es war das erste wiederzündbare Triebwerk der SU. Zweimal sollte es während der Mission arbeiten: zum einen für eine Mittkurskorrektur (maximal 130 m/s) und zum anderen bei der Landung (maximal 2600 m7s).

Dazu wurde der Treibstoff an den Leitungen mit Materialien gesammelt, die durch ihre Oberflächenhaftung ihn absorbierten. Das KTDU-5A war 1.9 m lang bei einem maximalen Durchmesser von 1.7 m. Das Entspannungsverhältnis betrug 43.4. Als Treibstoff wurde "AK27I" verwendet. Unter dieser technischen Bezeichnung verbarg sich ein Gemisch von 70 % Salpetersäure mit 24-28 % NTO und kleinen Anteilen von Wasser und Jod (offensichtlich also ein technisches Gemisch). Der Brennstoff "TG02" bestand aus einem 50:50 Gemisch von Xylidin und Ditethyl/Triethylamin. Das Verhältnis Oxydator zu Treibstoff betrug 3.6 für die Brennkammer und 3.2 im Gesamten (inklusive Steuertriebwerke und Gasgenerator). Der spezifische Impuls lag im Durchschnitt bei 2727 m/s (2815 Hauptbrennkammer, 1144m/s Steuerdüsen). Nominell brannte es 43 Sekunden lang. Die Treibstoffmenge errechnet sich so auf 725 kg. Der Bus muss also eine Masse von 863 kg gehabt haben.

Die Experimente an Bord der einzigen beiden erfolgreich gelandeten Sonden waren ein Bildübertragungssystem und ein Strahlendetektor an Bord von Luna 9 und bei Luna 13 zusätzlich ein Penetrometer, Infrarot Radiometer und ein Strahlendosimeter. Ein Geiger-Müller Zähler von den bisherigen Luna Sonden wurde modifiziert und miniaturisiert, so dass die Röhre nur noch 0.6 x 1.0 cm groß war.

Die Bilder wurden im APT Format übertragen bei einer Frequenz von 183.538 MHz. Der Lander war lediglich von Batterien mit Strom versorgt, was die Einsatzdauer auf einige Tage beschränkte. Das Penetrometer bestimmte die Festigkeit der Oberfläche, ihren Widerstand, Elastizität und Reibung. Das Dosimeter sollte die Strahlenbelastung an der Mondoberfläche messen. Diese zu kennen, war vor allem für eine bemannte Mission wichtig.

Über die Kamera gibt es bei den früheren Modellen wenige Daten Luna 4-8 sollen wie Luna 9 abtastende Telephotometer verwendet haben, jedoch schwerer Konstruktionen mit einer geringeren Auflösung. Die Luna 9 Kamera verwandte eine Photomultiplierröhre, deren Strom logarithmiert wurde. Dies erlaubte es Bilder in einem breiten Belichtungsintervall von 80 bis 150.000 Lux zu machen. 100.000 Lux entsprechen in etwa der Sonnenstärke im Sommer bei strahlend blauem Himmel mittags. Die Sensitivität konnte per Kommando festgelegt werden, Die Linse war auf unendlich fokussiert und konnte ab 1.5 m Entfernung die Umgebung scharf abbilden. Die gesamte Kamera wog trotz eines 1700 V Spannungswandlers für die Vakuumröhre nur 1.3 kg und verbrauchte 2.5 Watt Strom. Die Abmessungen des Zylinders betrugen nur 80 x 205 mm.

Ein Panorama wurde zeilenweise aufgebaut indem ein rotierender Spiegel in der vertikalen geschwenkt wurde und ein Schrittmotor ein 360 Grad Panorama abfuhr. Die Genauigkeit der Spiegellage lag bei 1/3 Pixel. Die Bilder wurden analog übertragen mit einer Rate von 250 Hz, dies entspricht 500 Pixeln/sec. Dies entsprach einer Scanzeile pro Sekunde. Ein Bild bestand aus einem 29 x 360 Grad Panorama und 500 x 6000 Pixeln. Eine weiterentwickelte Version dieses Modells wurde auf den Mars 2+3 Landern eingesetzt. Gesandt wurde bei 183.538 MHz, einem damals gebräuchlichen Funkband.

Fehlstarts

Innerhalb des sowjetischen Mondprogramms wies diese Serie die meisten Verluste auf. Sowohl was reine Fehlstarts anging, wie auch der Verlust nach Start zum Mond (Luna 4-8). Bedingt durch die Fehlschläge wurde das Design immer mehr überarbeitet und der Lander schwerer. Er wog ursprünglich 82 kg. Der letzte Lander der landete war jedoch 113 kg schwer. Der Lander ist auf dem Bild unten in dem schwarzen Behälter links

Der ersten geglückten Landung gingen 10 Fehlschlage in drei Jahren voraus.

Ursache der Fehlstarts (und anderer im Mars- und Venera Programm) war ein Konstruktionsfehler im Block L, der vierten Stufe der Molnija Rakete. Er verhinderte eine Steuerung der Lage beim Zünden der Oberstufe, so das in den meisten Fällen die Oberstufe beim Zünden oder kurz danach Probleme bekam und dass Triebwerk dann abgeschaltet wurde. Da es nur einmal zündbar war, verblieben die Sonden dann im Erdorbit. Erst im März 1964 konnte der Fehler gefunden und eliminiert werden.

Luna 4 (2.4.1963)

Die erste Sonde dieses Programms, welche einen Erdorbit verlassen konnte, war Luna 4. Der Start fand am 2.5.1963 statt. Jedoch brachte die Oberstufe die 1442 kg schwere Sonde in eine falsche Umlaufbahn. So flog die Sonde nur in 833.6 km Entfernung am Mond vorbei. Dieser beeinflusste die Bahn, so das es eine Ellipsenbahn mit einem erdnahen Punkt von 90.000 km und einem erdfernsten Punkt von 700.000 km wurde. Der Einfluss des Mondes brachte die Sonde schließlich Ende 1963 in eine Sonnenumlaufbahn. Bis zum 6.4.1963 konnte Funkkontakt mit der Sonde aufrecht erhalten werden.

Offiziell sollte die Sonde nicht landen, sondern nur die Systeme des Busses testen. Damit wollte man das Fehlschlagen der Landung verschleiern.

Luna 5 (9.5.1965)

Mehr als 2 Jahre lagen zwischen Luna 4 und Luna 5. Dem Start zum Mond gingen vier Fehlstarts voraus. Die Sonde war nun 1476 kg schwer und wurde auch von der vierten Stufe der Molnija am 9.5.1965 auf einen korrekten Kurs gebracht. Sie rotierte jedoch ab dem 10.5.1965 durch einen Fehler des Steuerungssystems um ihre eigene Achse. Dies war wahrscheinlich auch die Ursache, dass die Sonde am 12.5.1965 hart auf dem Mond aufschlug. Das Landetriebwerk zündete nicht und war auch durch Kommandos von der Erde nicht zu aktivierten. Die Sonde schlug bei 31° südlicher Breite und 8° westlicher Länge auf.

Luna 6 (8.6.1965)

Von nun an blieb das Luna Programm von Fehlstarts der Molnija Rakete verschont - zumindest für zwei Jahre. Nach dem Start am 8.6.196 scheiterte bei Luna 6 das Kurskorrekturmanöver. Anstatt die Sonde auf Mondkurs zu bringen und letzte Fehler zu beseitigen, wurde ein Kurs eingeschlagen der die Sonde noch weiter vom Mond entfernte. Das Haupttriebwerk schaltete sich zur Kurskorrektur ein, schaltete sich aber nie ab und arbeitet so lange bis der Treibstoff verbraucht war. Die Sonde passierte den Mond so in einer Distanz von 159.612,8 Km. Man führte jedoch alle Manöver der Landung durch die auch erfolgreich verliefen. So konnte man den Ablauf erstmals real testen. Bis zu einer Entfernung von 600.000 km konnte Kontakt gehalten werden. Eine Untersuchung zeigte, dass ein irrtümlich zum Zeitgeber der Sonde geschicktes Kommando diesen deaktiviert hatte, so dass er das Triebwerk nicht rechtzeitig abschalten konnte.

Luna 7 (4.10.1965)

Die 1506 kg schwere Luna 7 Sonde absolvierte nach dem Start am 4.10.1965 erfolgreich ihr Kurskorrekturmanöver und begann am 7.10.1965 den Landeanflug. Doch dann schlug Murphys Gesetz zu: Unmittelbar vor der Landung verlor das Lagekontrollsystem die Orientierung und auch Kommandos von der Erde konnten es nicht mehr aktivieren. Das Bremstriebwerk zündete so nicht und die Sonde schlug bei 9° nördlicher Breite und 49° westlicher Länge, nahe des Kraters Kepler auf. Eine spätere Untersuchung ergab, dass ein optischer Sensor falsch ausgerichtet war und die Erde aus dem Sensorblickfeld während des kritischen Manövers wanderte. So scheiterte die Mondlandung für welche die Sonde genau zum 8.ten Jahrestag von Sputnik gestartet worden war.

Luna 8 (3.12.1965)

Nach dem Start der 1552 kg schweren Sonde Luna 8 schien zuerst alles zu klappen. Die Molnija Rakete brachte sie am 3.12.1965 auf Kurs. Am 6.12.1965 stand dann die Landung an. Vor Zündung des Retrotriebwerks wurden die Airbags aufgeblasen. Doch eine Klammer machte ein Loch in einen der Airbags. Die ausströmenden Gase bewirkten eine Rotation um 12 Grad pro Sekunde. Die Sonde konnte sich zuerst wieder unter Kontrolle bringen und für 9 Sekunden das Triebwerk feuern, danach verlor sie wieder die Kontrolle über die Orientierung und das Triebwerk konnte nicht mehr gezündet werden. So schlug die Sonde mit hoher Geschwindigkeit bei 9.8° West und 63.8 Nord auf.

Die Sonde konnte daher einige Verbesserungen des Busses, wie Orientierung nach den Sternen (nach dem Fehlschlag von Luna 7) und ein Kontrollsystem, welches die Steuerung von der Erde aus erlaubte (Nach dem Fehlschlag von Luna 5+6) nicht erproben.

Luna 9 (31.1.1966)

Nach 11 Fehlschlägen in Folge gelang Luna 9 die erste erfolgreiche Landung. Daran hatte auch ein Wechsel des Konstruktionsbüros von OKB-1 nach Lavochkin beigetragen. In der Folge sollte Lavochkin die meisten Luna Sonden bauen. Luna 9 startete am 31.1.1966 zum Mond.

Am 3.2.1966 landete die beim Start 1580 kg schwere Sonde bei 7.08 Grad Nord und 64.22 Grad West. 5 Minuten nach der Landung begann die Sonde Daten zu übertragen. Ein Panorama folgte erst 7 Stunden später, als die Sonne immerhin 7° über dem Horizont war. Insgesamt folgten 9 Bilder, davon 5 Panoramas. Die gesamte Zeit in der die Sonde Daten sandte betrug 8 Stunden und 5 Minuten während der Missionsdauer von 76 Stunden. Das Dosimeter bestimmte eine Strahlendosis von 30 mrad pro Tag. Die Bilder waren durch den niedrigen Sonnenstand relativ kontrastreich mit starken Schatten. Sie zeigten jedoch, dass die Sonde nicht eingesunken war. Das war ein wichtiges Ergebnis, denn manche Wissenschaftler vermuteten eine sehr hohe, lockere Staubschicht auf dem Mond, in der Raumfahrzeuge versinken könnten.

Die Kamera hatte einen Schärfebereich von 1.5 m bis unendlich. Es konnten Objekte bis zum Horizont in 1400 m Entfernung ausgemacht werden. Die Auflösung betrug in 1.5 m Entfernung etwa 1.5-2 mm. Mittels eines Spiegelsystems konnten auch stereoskope Aufnahmen gemacht werden. Den Bildern am 3.2.1966 folgten weitere an den folgenden Tagen bis zum 6.2.1966. Diese wurden bei Sonnenhöhen von 7, 14, 27 und 41 Grad gemacht, so dass sukzessive die Szene besser ausgeleuchtet wurde. Insgesamt drei volle Panoramen wurden übermittelt. Das erste folgte aber erst 7 Stunden nach der Landung.

Es gab dann noch einen Skandal wegen der Bilder welche die Sonde machte. Beim 76 m Radioteleskop von Jordell Bank, welches alle sowjetischen Missionen zum Mond verfolgte, hatte sich eine größere Journalistenschar eingefunden, als die Sonde die Bilder sandte. Die englischen Astronomen die von amerikanischen Sonden digitale Daten gewohnt waren, stellten erstaunt fest, das es sich bei den Bildern um analoge Bilder handelte, wie sie Nachrichtenagenturen über Funk übermittelten. Diese konnten die Astronomen nicht sichtbar machen. Schnell fuhren Reporter des Daily Express in die Redaktion und schleppten einen APT Empfänger für Funkbilder heran, der dann die Bilder sichtbar machte. Diese veröffentlichte auch der Daily Express auch vor der Prawda. Bis die Bilder von den sowjetischen Wissenschaftlern zu dieser gelangten, hatte diese schon Redaktionsschluss. So bekam die Welt die Bilder der Luna 9 Sonde vom Daily Express präsentiert, unschärfer als die Bilder der Prawda am folgenden Tag und verzerrt, doch als erstes. Das führte zu Beschimpfungen seitens der Nachrichtenagentur TASS und zu einigen Ärger auf hoher Ebene.

Luna 13 (21.12.1966)

Luna 13 zeigt wie das sowjetische Mondprogramn in dieser Zeit des "Wettrennens zum Mond" arbeitete: Es ging nicht um eine wissenschaftliche Erforschung des Monds sondern um spektakuläre Erstleistungen. Obgleich elf Flüge vor Luna 9 scheiterten, startete man die letzte Sonde dieser Serie nun nicht als Luna 10, sondern ging nun daran einen Mondorbiter vor den Amerikanern zu starten. Als dies geschafft war, startete man auch die letzte verbliebene Sonde der Luna 4-9 Serie. Er landete am 24.12.1966 bei 18.52 Grad Nord und 62.3 Grad West.

Man hatte die Zeit genutzt, die instrumentelle Ausrüstung zu verbessern. Luna 13 wog nun 1.620 kg beim Start und der Lander 113 anstatt 99 kg bei Luna 9. Ein Infrarotradiometer maß die vom Boden reflektierte Infrarotstrahlung und bestimmte dadurch die Temperatur den Mondbodens. Es stellte eine Temperatur von 117 ± 3 Grad Celsius fest. Ein Penetrometer bestimmte die Dichte des Mondbodens zu 0.8 g/cm³. Ein Accelometer (Beschleunigungsmesser) stellte fest, das in einer Tiefe von 20-30 cm auf den Staub Felsengrund folgte. Ein zweiter Detektor für kosmische Strahlen bestimmte die Strahlung als tödlich für einen ungeschützten Menschen. Ein Gammastrahlenspektrometer maß die von den radioaktiven Elementen Kalium, Uran und Thorium emittierte Gammastrahlung und bestimmte deren Konzentration

Die Stereokameras fielen leider aus. Die Panoramakamera machten jedoch fünf Panoramas, die ein etwas sanfteres Terrain als beim Landeplatz von Luna 9 zeigten. Am 28.12.1966 fiel nach 80 Stunden Betrieb der Lander aus, nachdem seine Batterien erschöpft waren.

Mondorbiter (Luna 10-12,14)

Das nächste Ziel nach der Landung war ein Orbiter, welcher den Mond umrundet. Bedenkt man, dass zwischen dem ersten Versuch einer weichen Landung von 1963 und der geglückten Landung 1966 drei Jahre lagen, so erstaunt, dass es schon am 31.3.1966, also zwei Monate nach der Landung von Luna 9 der erste Mondsatellit der Sowjetunion gestartet wurde.

Dies war möglich weil man keine neue Raumsonde entwickelte, sondern den Bus von Luna 4-9 weiter verwendete und statt einem Lander eine Instrumenteneinheit darauf setzte. Im Vergleich zu der hohen Startmasse von 1600 kg war diese Instrumenteneinheit mit 245 kg jedoch relativ klein. Die USA dagegen entwickelten zwei getrennte Programme: Die ca. 380 kg schweren Lunar Orbiter und die 1.000-1.100 kg schweren Surveyor Sonden. Die Instrumenteneinheit war 1,50 m hoch, zylindrisch mit einem domförmigen Abschluss. Es war ein Subsatellit der nach erreichen des Orbits abgetrennt wurde. Dieser Subsatellit war spinstabilisiert und nur mit Batterien vom Strom versorgt. Ein Ausleger mit dem Magnetometer ragte 1,5 m von der Sonde weg. Sendefrequenzen waren 183 und 922 MHz (UKW/L-Band). Der Bus wog trocken etwa 540 kg.

Luna 10 und Kosmos 111 waren sehr schnell vorbereitete Sonden, bei denen man nur den Lander durch eine Instrumenteneinheit ersetzt hatte. Es ging darum rechtzeitig zum 23.sten Parteitag der kommunistischen Partei im März 1966 einen Mondorbiter zu starten. Sie sollten in weniger als einem Monat vorbereitet worden sein. Zudem wollte man natürlich den Amerikanern zuvorkommen, deren Lunar Orbiter 1 am 10 August 1966 startete. Luna 10 trennte den Bus nach Erreichen des Orbits ab. Luna 10 und Kosmos 111 hatten noch kein Kamerasystem an Bord.

Bei Luna 11,12 und 14 ließ man sich mehr Zeit für die instrumentelle Ausrüstung und verbesserte diese. Schließlich war man auch diesmal wieder "Erster" gewesen. Aber auch hier wurde der Bus von Luna 4-9 verwendet. Nur blieb dieser nach dem Einschwenken in die Umlaufbahn mit der Instrumenteneinheit verbunden, um so besser den Einfluss von lokalen Massekonzentrationen unter den Mare untersuchen zu können.

Eine Einschränkung für die sowjetischen Mondorbiter der ersten Generation war, dass sie wie die Lander nur von Batterien mit Strom versorgt wurden. Dies limitierte ihre Lebensdauer auf wenige Wochen.

Fehlstarts

Die Molnija Trägerrakete war nun schon 3 Jahre im Einsatz und technisch ausgereift. Die vielen Fehlstarts die es bei Luna 4-9 noch gab, blieben nun weitgehend aus. Trotzdem gingen 2 Sonden verloren.

Luna 10 (31.3.1966)

Luna 10 war wie die Schwestersonde Kosmos 111 eine schnell umgerüstete Landesonde. Es ging wieder um einen propagandistischen Erfolg: Den Start des ersten Mondsatelliten. Nach dem erfolgreichen Start am 31.3.1966 schwenkte der Mondorbiter vom Bus gesteuert am 3.4.1966 in einen Orbit ein. In 8000 km Entfernung vom Mond wurde der Bus gedreht und zündete sein Triebwerk für 20 Sekunden. Dies bremste Luna 10 um 1250 m/s auf 1240 m/s Geschwindigkeit ab. So gelangte die Sonde einen Orbit. Dessen Parameter waren 350 × 1071 km Entfernung von der Oberfläche bei 71.9° Inklination. Dort wurde der 245 kg schwere Instrumententeil abgetrennt.

Der Instrumententeil war nur batteriegetrieben und arbeitete über 460 Mondorbits, wobei es 219 Datenübertragungen gab. Am 30.5.1966 waren die Batterien erschöpft.

Die Instrumentierung bestand aus:

• einem triaxialen Magnetometer. Wertebereich -50 bis +50 nT, Messfehler 10 nT.
• Einem Gammastrahlenspektrometer (0.3-3.2 MeV).
• Fünf Gasentladungszählern zur Detektion von Mikrometeoriten.
• Einem Detektor für geladene Teilchen und zwei Ionenfallen.
• Einem Infrarotdetektor
• Einem Zählgerät für Röntgenstrahlen niedriger Energie.

Das Gammastrahlenspektrometer machte an neun Stellen Spektren in einem Energiebereich von 0.15-3.2 MeV und an 39 Stellen Spektren von 0.3-0.7 MeV. Es konnte kein Magnetfeld beim Mond nachgewiesen werden. Die Spektren zeigten, das die Mondoberfläche in der chemischen Zusammensetzung Ähnlichkeiten zu irdischem Basalt hatte. Der Detektor bestand aus einem Cäsiumiodidkristall als Szintillationsdetektor,. Die Energie des Blitzes von Gammastrahlen wurde durch ein Photometer gemessen. Umgeben war dieser Detektor an 5 Seiten von Cerenkov Detektoren die einerseits hochenergetische Teilchen detektieren und zum anderen durch das Einfangen dieser als Schild dienten.

Die wohl wichtigste Entdeckung war die Beeinflussung des Orbits durch Mascons, Massekonzentrationen unter den Maren des Mondes. Diese Entdeckung wird im allgemeinen den amerikanischen Lunar Orbitern zugeschrieben, doch Luna 10 entdeckte sie schon vorher.

An Bord waren auch Oszillatoren die programmgesteuert die Funkfrequenz so änderten, dass sie die Internationale abspielte. Bei einem Test in der Nacht auf den 3.4.1966 klappte das auch gut. Am Morgen entdeckte man, dass man eine Note in der Melodie vergessen hatte. Die Ingenieure bearbeiteten das Magnetband mit der Aufzeichnung von der Nacht nach und spielten es am Nachmittag am 3.4.1966 bei der Versammlung des 23.sten Kongresses der KPdSU vor. Die anwesenden Bonzen, welche ehrfürchtig der verrauschten Melodie lauschten, war dies nicht bekannt. Sie meinten die Signale kämen aus dem Mondorbit.

Detektiert wurde nur wenige Strahlen (5 Teilchen/cm²/s). 498 Mikeometeoriten wurden während der 56 Tage detektiert.

Luna 11 (24.8.1966)

Luna 11-14 waren instrumentell besser ausgerüstet als Luna 10. Die Nutzlast von Luna 11 bestand aus:

• Kamerasystem
• Gammastrahlendetektor
• Magnetometer
• Strahlendetektoren
• Mehrkanalradiometer (30 kHz-1 MHz).
• Mikrometeoritendetektor
• Test der Elektromotoren der Lunochod Rover.

• Über die Kamera von Luna 11 gibt es heute einige technische Details. Es war eine miniaturisierte Weiterentwicklung der Mars-1 Kamera. Anstatt mit 70 mm Film arbeitete die Kamera nun mit 25.4 mm Film (manchen noch von den Pocket-Kameras aus den siebziger Jahren bekannt). Das Gewicht konnte von 32 auf 6.5 kg gedrückt werden. 40 Bilder gingen auf den Film. Abgetastet konnte er mit 550 oder 1100 Zeilen/Bild. Detektor war ein Logarithmischer Photomultiplier (FEU-54). Dazu gab es einen Vorschaumodus mit 67 Zeilen pro Bild.

  Die Kamera verfügte über 2 Objekte mit Brennweiten von 200 und 500 mm. Das entsprach aus dem Mondorbit Kantenlängen von 20-25 und 80-100 km. Luna 10 verfügte über kein Kameraexperiment. Dieselbe Kamera kam auch bei den Missionen Zond 2+3 zum Einsatz.

Die verbesserten Sonden liefen unter der Programmbezeichnung E-6LF. Drei Tage nach dem Start am 24.8.1966, am 27.8.1966 schwenkte die 1616 kg schwere Sonde in einen 160 × 1.193 km hohen Orbit mit 27° Neigung zum Mondäquator ein. Das Kameraexperiment, welches von Zond 3 übernommen war versagte. Es sollte auf Film Aufnahmen des Mondes machen, welche an Bord entwickelt wurden und dann in 1100 Zeilen abgetastet wurden. Ein Fremdkörper in einer Lageregelungsdüse verhinderte aber die Ausrichtung der Kamera auf den Mond. Das Experiment sollte Bilder mit einer Auflösung von 15-20 m gewinnen.

Die anderen Experimente benötigten keine exakte Ausrichtung und funktionierten ohne Probleme bis am 1.10.1966 die Batterien erschöpft waren. Es gab 137 Übertragungen aus 219 Orbits um den Mond. Man hatte hier anders, als bei Luna 10, den Bus an den Instrumenten belassen, um mit der größeren Masse besser die Auswirkung von Mascons zu beobachten.

Ein weiteres Experiment sollte die Elektromotoren der Lunochods unter Vakuum und Mondbedingungen testen. Dieser Test verlief erfolgreich.

Luna 12 (22.10.1966)

Luna 12 war die 1620 kg schwere Schwestersonde von Luna 11. Die Instrumentierung war identisch. Am 25.10.1966 schwenkte die Sonde in eine 100 × 1740 km, 15 Grad geneigte, Bahn um den Mondäquator ein.  Das Triebwerk brannte 28 s und reduzierte die Geschwindigkeit von 2085 auf 1.48 m/s.  In dieser machte Sie am 27.10.1966 Aufnahmen, die am 29.10.1966 veröffentlicht wurden. Sie zeigten die Gegend um den Krater Aristarchus und das Meer des Regens. Die Bilder hatten Auflösungen von 15-20 m bei Kantenlängen von 25 und 100 km.

Danach versetzte sich die Sonde in einen spinnstabilisierten Modus, in dem die anderen Instrumenten arbeiteten. Dabei rotiere der Satellit langsam in 255 s um die eigene Achse. So vermied er eine einseitige Aufheizung. Es konnten wieder Gammastrahlenspektren und Röntgenfluoreszenzstrahlen detektiert werden. Auch der Test des Antriebs der Lunochods verlief erfolgreich. Am 19.1.1967 waren die Batterien erschöpft. Es gab 302 Übertragungen während 602 Orbits.

Luna 14 (7.4.1968)

Nach eineinhalb Jahren Pause schickte man die letzte Sonde, welche auf dem Bus von Luna 4-13 basierte zum Mond. Ziel war nun nicht mehr die Mondforschung, sondern der Test eines neuen Kommunikationssystems, das man bei den bemannten Mondflügen einsetzen wollte. Zuerst sollte dies an zwei Satelliten in hochexzentrischen Erdorbits getestet werden. Doch nur einer (Kosmos 159) erreichte einen Erdorbit, der jedoch mit maximal 60.000 km Entfernung zu niedrig war. Eine zweite Aufgabe war das Kartieren der Abweichungen der Gravitation durch Masseabweichungen, ebenfalls um die Bahnabweichungen bei künftigen bemannten wie unbemannten Missionen vorhersagen zu können.

Die Instrumentelle Ausrüstung der Sonde war daher sekundär. Sie bestand aus einem bistatischem Radar, dem Test der Lunochod Motoren und Strahlungsdetektoren. Am 10.4.1968 erreichte die Sonde eine Bahn von 160 × 870 km Mondentfernung und 42 Grad Bahnneigung. Es gab Probleme mit der neuen Kommunikationseinrichtung. Ergebnisse der beim Start 1700 kg schweren Sonde wurden nicht veröffentlicht.

Proben vom Mond gewinnen (Luna 15,16,18,20,23,24)

Nun trat das sowjetische Mondprogramm in eine neue Phase. Bisher galt es spektakuläre Erstleistungen zu vollbringen. Das wissenschaftliche Ergebnis war eher nebensächlich. Nun sollte der Mond besser erforscht werden, durch Bodenproben die zur Erde gebracht werden, Rover die auf dem Mond herumfuhren (mehr als 25 Jahre vor Sojourner!) und größeren Mondorbiter.

Damit waren aber auch die Sonden größer und benötigten die Proton Trägerrakete die bis zu 6 t zum Mond befördern konnte. Weiterhin erlaubte dieses Programm auch sich abzusichern gegen eine erfolgreiche Mondlandung der Amerikanern. Sollte das sowjetische bemannte Mondprogramm scheitern (was es ja auch tat), so konnte man durch das unbemannte Programm behaupten, man wäre nie an einer bemannten Mondlandung interessiert gewesen sondern hätte mit viel geringeren Mitteln unbemannt Bodenproben gewonnen. Dieses Programm wurde noch fortgeführt, als die Amerikaner ihre bemannten Mondlandungen schon lange eingestellt hatten.

Die Sonden Luna 15,16,18,20,23,24 waren alle gedacht Bodenproben zu gewinnen. Der Grundaufbau war weitgehend identisch. Die beiden letzten Sonden (Luna 23+24) waren etwas moderner und verfügten über eine verbesserte Steuerung und einen besseren Bohrer. Das grundlegende Programm war E-8.

Die Sonden bestanden aus einer Landestufe "KT", als russische Abkürzung für "Korrektur und Bremsmodul". Diese hatte einen Durchmesser von 3.96 m von Landebein zu Landebein. Sie enthielt ein regelbares Flüssigkeitstriebwerk des Typs KTDU-417 und ein Niedrigschubtriebwerk des Typs KTDU-417B. Vier sphärische Tanks waren durch Verbindungsglieder zu einem Quadrat verbunden. Zuerst trat das Triebwerk KTDU-417 mit einem Schub von 18.92-7.35 kN in Aktion. Es konnte bis zu 650 Sekunden brennen. Es verbrannte NTO und UDMH im Verhältnis 1.8 zu 1 und hatte die Aufgabe die Sonde in einen Orbit einzuschwenken und die Landung einzuleiten. Der spezifische Impuls betrug 3021-3080 m/s. Es war mit einer Turbopumpe ausgerüstet um einen Brennkammerdruck von 83 Bar zu erreichen. Die Masse des KD-417 betrug 80.6 kg bei 0.79 m Länge und 0.73 m Durchmesser.

Die Landung selbst wurde bei geringerem Schub durch das Triebwerk KTDU-417B durchgeführt. Es hatte einen Schubbereich von 2.06 bis 3.43 kN. Der spezifische Impuls lag mit 2442 bis 2491 m/s wesentlich niedriger. Es verbrannte die gleichen Treibstoffe wie sein großer Bruder, doch in einer oxidatorreichenen Mischung (2.4:1). Dieses Triebwerk war nur pumpengefördert und erreichte einen Brennkammerdruck von 8.9 Bar. Es brannte nur 30 Sekunden, also kurz vor dem Aufsetzen um die Landegeschwindigkeit zum minimieren.

Durch einen Radarhöhenmesser wurde die Höhe und Geschwindigkeit ermittelt. Durch eine Programmsteuerung wurde der Schub geregelt und das Triebwerk abgeschaltet, wenn eine bestimmte Höhe und Geschwindigkeit erreicht waren. Dann übernahmen zwei kleinere Regeltriebwerke die restliche Abbremsung. Die Landestufe enthielt in der Mitte einem zylindrischen Geräteteil eine Kreiselplattform, optische Sensoren, die Funkanlage, ein Programmschaltwerk, den Radarhöhenmesser, einen Geschwindigkeitsmesser und eine Temperaturregelung. Hier waren auch die wissenschaftlichen Experimente angebracht. Die Fernsehkameras hatten ein Gesichtsfeld von 30 Grad konnten aber für Panoramaaufnahmen geschwenkt werden.

Die Landestufe mit ihren drei Beinen diente auch der Rückkehrstufe als Startrampe. Nach der Landung wog das Gefährt noch 1.875 bis 1.888 kg (von 5.600 bis 5.720 kg Startmasse). Auf ihr befand sich eine TV Kamera, Strahlungsdetektoren und ein Arm mit der Bohrvorrichtung um Bodenproben bis aus 50 cm Tiefe zu entnehmen. Die Landestufe hatte Batterien, welche eine Betriebszeit von drei Tagen auf dem Mond erlaubten. Die Landestufe wog trocken 1.100 kg bei einer maximalen Nutzlast die auf den Mond befördert werden konnte von 800 kg.

Der Arm entnahm Bodenproben und führte diese in die Rückkehrkapsel. Der 4 cm dicke, hohle Bohrer konnte unter idealen Umständen bis zu 50 cm (Luna 15-20) bzw. 2 m tief (Luna 23-24) gelangen. Er war an einem Ausleger angebracht. Der Ausleger war horizontal und vertikal schwenkbar und reichte bis zu 5-6 m von der Sonde weg, so das man auch Material erreichte welches nicht durch Triebwerksabgase kontaminiert war. Der Bohrer konnte durch TV Kameras kontrolliert werden und wurde durch ein Programmschaltwerk gesteuert. Nach jedem Schritt blieb er stehen und wartete auf das OK von der Erde. Neben Sand sollte der Bohrer auch Material von der Härte von Basalt oder Granit durchbrechen können. Die Rotationsgeschwindigkeit betrug 500 Umdrehungen pro Minuten Er brauchte etwa 30 Minuten um die Maximahltiefe zu erreichen. Ein Film umgab die Bodenproben, wurde aufgerollt und nach einer 180° Drehung in die Kapsel befördert.

Die neue L09-Bohrerprobenentnahmevorrichtung bestand aus einem Bohrkopf, einer Bohrstange mit einer Säule und einem Bodenaufnahmemechanismus, einem Bohrkopfvorschub, einem Kernüberlastungstopp und einem Behälter für den Bohrkern. Bei dem Bohrvorgang tritt das Material in den Hohlraum ein, in dem sich ein flexibler Schlauch befindet. Er hält während des gesamten Bohrvorgangs den Kern in Form einer Säule. Am Ende des Bohrens wird der Schlauch mit dem Boden aus dem inneren Hohlraum des Stabes herausgezogen und auf eine Trommel in einem Behälter gewickelt. Dann wird dieser Behälter in die Kapsel gelegt.

Verbesserte Scankameras von Luna 9-13 beobachteten die Probenname. Sie basierten auf der FEU-96 Photomultiplierröhre, die empfindlicher war. Eine Elektronik steuerte die Belichtung und passte in Abständen von 5 bis 20 Sekunden die Belichtungszeit an. Die Panoramen waren jeweils 300 x 6000 Pixel groß.

Auf dem Mond blieben die Sonden typischerweise 25-28 Stunden. Danach fand der Rückstart statt. Die Aufstiegsstufe bestand aus einem Triebwerk mit drei kugelförmigen Treibstofftanks. Die Aufstiegsstufe enthielt in einem zylindrischen Geräteteil Flugführungseinrichtungen, Programmschaltwerke, Funkanlagen und Batterien. An der Außenseite befanden sich vier Antennen. Zusammen mit der Kapsel war die Sonde 3.81 m hoch. Sie startete direkt zurück zur Erde. Typischerweise wurde eine Geschwindigkeit von 2700 m/s erreicht (Lunare Fluchtgeschwindigkeit: 2400 m/s). Das Triebwerk KRD-61 der Oberstufe hatte einen Schub von 18.8 kN und eine Brenndauer von 53 Sekunden. Bei einem angegebenen spezifischen Impuls von 3070 m/s errechnet sich ein Treibstoffvorrat von 324.5 kg und eine Startmasse von 457 kg. Das Triebwerk selbst wog 41.8 kg bei einer Länge von 0.71 m und einem Durchmesser von 0.55 m. Verbrannt wurde UDMH und NTO in einem Verhältnis von 1:1,84. Der Mittlere Tank mit dem Hydrazin hatte einen Durchmesser von 67 cm, die drei peripheren Tanks mit dem Oxydator jeweils 53 cm Durchmesser.  Steuerdüsen mit 700 N Schub stabilisierten die Stufe. Dies war nötig weil sich durch die Entleerung der Tanks der Schwerpunkt verschob.

Auf dem Hydrazintank befand sich die Avioniksektion von 56 cm Durchmesser. Es enthielt eine Kreiselplattform aus zwei Kreiseln zur Lageerkennung und Integratoren zur Feststellung der Geschwindigkeit. Dazu kam eine Funkanlage mit einem Empfänger bei 101,935 und einem Sender bei 183,537 MHz sowieso einem Gerät zum Senden der Telemetrie. An der Außenseite gab es vier Peitschenantennen für das Senden und Empfangen. Die Stromversorgung bestand aus einer nicht aufladbaren Silber-Zinkbatterie mit einer Kapazität von 14 Ah.

Um die Mission zu erleichtern hatte man sich ein besonderes Startprofil ausgedacht. Die Rückstartstufe musste nur vertikal aufsteigen (Abweichung zur Vertikale maximal 25 Grad) und eine definierte Endgeschwindigkeit von etwa 2.700 m/s erreichen. Es war keine übliche gebogene Aufstiegsbahn möglich. Die Erde würde sie dann wenn sie an der richtigen Stelle am Himmel war die Kapsel durch ihre Gravitation anziehen und sie so zur Erde bringen. Nach Brennschluss der bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit erfolgte wurde die Kapsel abgetrennt und dabei in Rotation versetzt. Dies stabilisierte die Kapsel auf ihrem ballistischen Flug zur Erde bei dem keine Kurskorrektur möglich war.

Dieses spezielle Profil zusammen mit der Forderung dass die Landung über russischem Gebiet erfolgen musste engten die Landezone auf einen Bereich nördlich des Mondäquators und 56 Grad Ost, am Rand des Mare Cruisum ein. Der Startzeitpunkt war ebenfalls vorgegeben.

Die Kapsel von 80 cm Durchmesser war aus Stahl und mit einem schwarzen Hitzeschutzschild überzogen. Sie wog 34 bis 39 kg. Die innere Stahlkapsel hatte einen Durchmesser von 50 cm. Sie enthielt drei Abteile. Im ersten befanden sich zwei Peilsender die bei 121,5 und 114,167 MHz) im UKW-Band sandten. Strom lieferte eine Silberzink-Batterie mit 4,8 Ah Kapazität. Es war noch ein Zeitgeber und eine Automatisierungsschaltung vorhanden die vom Zeitgeber und Drucksensoren gesteuert wurde. Das zweite Abteil enthielt den Pilotfallschirm mit 1,5 m² Fläche und den Hauptfallschirm von 12 m² Fläche. Das dritte Abteil nahm schließlich die Bodenproben auf. Ein spezieller Deckel verschließt dieses Fach hermetisch. Die Außenseite bestand aus einem Wabengewebe aus Glaserfasern gefüllt und überzogen mit einem Astbestgewebe als Ablativschutzschild.

Sie wurde mit einem Stahlband fixiert. Abgetrennt wird sie von der Gerätesektion durch ein Sprenggeschoß. Neben einem Haupt und Pilotfallschirm befanden sich in der Kapsel Peilsender, Antennen und Batterien. In einem hermetisch abgeschlossenen zylindrischen Behälter befand sich der spiralförmig aufgewickelte Bohrkern. Beim Wiedereintritt gab es Bremskräfte von bis zu 350 g.

Technischer Aufbau der Luna 16-24 Sonden (siehe Bild)

1. Gerätebehälter der Landestufe
2. Lageregelungsdüse
3. Treibstoffbehälter der Rückstartstufe
4. Antenne
5. Gerätebehälter der Rückstartstufe
6. Rückkehrkapsel
7. Bohranlage
8. Schwenkarm der Bohranlage
9. Kamera zur Fernbeobachtung des Bohrvorgangs
10. Treibstoffbehälter der Landestufe
11. Landetriebwerk

Massenbiianlz (Luna 24)

Fehlschläge

Durch Verwendung der neuen und noch nicht so erprobten Proton Trägerrakete nahm nun wieder die Zahl der Fehlschläge zu.

Luna 15 (13.7.1969)

Diese Sonde wurde bekannt, weil sie just zu dem Zeitpunkt ihre Bodenproben gewinnen wollte, als die Apollo 11 Mission ihre Mondlandung begann. Der Zweck der Mission wurde damals nicht bekannt gegeben und so meinten manche Korrespondenten, dass diese Sonde die Mondlandung von Apollo 11 beobachten oder gar stören sollte. Auf Anfrage des Astronauten Borman, der nach der Apollo 8 Mission eine Tour in Russland absolvierte und Kontakte aufgebaut hatte, bekam die NASA aber die Bahnelemente, so dass klar war, dass Luna 15 sich nie Apollo 11 nähern würde.

Nach dem Start am 13.7.1969 schwenkte die Sonde am 17.7.1969 in eine 110 km hohe Mondumlaufbahn ein, die zweimal geändert wurde. Nach 86 Kommunikationskontakten und 52 Mondorbits wurde die Landung durchgeführt. Am 21.7.1969 (Armstrong und Aldrin waren zu diesem Zeitpunkt schon gelandete) sollte die Sonde bei 17 Nord und 60° Ost landen. Dazu war der mondnächste Punkt auf 16 km abgesenkt worden. In einer Höhe von 3 km über der Oberfläche, 4 Minuten nach dem Abbremsmanöver verstummte die Sonde. (237,5 von 267,3 s Brennzeit). Sie schlug mit hoher Geschwindigkeit auf. Die Ursache ist unbekannt. Sowjetische Wissenschaftler vermuten, dass die Sonde an einen Berghang geraten war oder durch einen Berg das Landeradar gestört wurde. Beobachtungen von Jordell Bank zeigten, dass die Sonde am Schluss noch eine Geschwindigkeit von 480 km/h hatte und so wahrscheinlich zerschellt ist. Wäre das Unternehmen geglückt so wäre es ein unerhörter Trumpf gewesen. Die Sowjets hatten trotz etwas späterer Landung durch eine schnellere Rückkehrbahn (der Rückflug dauerte typisch 72 Stunden, bei Apollo 11 kam die Mannschaft 104 Stunden nach der Landung im Pazifik an) mit etwas Glück vor den Amerikanern Mondproben zur Erde zurückgebracht.

Der Landezeitpunkt war um 15:51 UTC am 21-.7.1969, Apollo 11 landete um 20:17 UTC am 20.7.1969.

Luna 16 (12.9.1970)

Nachdem das Rennen nun gelaufen war, konnte man sich die Zeit nehmen die nächsten Unternehmen besser vorzubereiten. Schließlich gingen neben dem erfolgreichen Luna 15 Start auch vier Starts der Proton mit Luna Sonden schief. So startete Luna 16 erst ein Jahr nach Luna 15. Diesmal war der Sowjetunion das Glück hold. Nach einem Kurskorrekturmanöver am 13.9.1970 schwenkte die Sonde am 17.9.1970 in einen 101 km hohen kreisförmigen Orbit mit einer Neigung von 70 Grad ein. Am 20.9.1970 wurde dieser in eine 15 km hohe Kreisbahn angepasst. Von dort aus begann der Abstieg. In 600 m Höhe bewirkte eine Regelung des Haupttriebwerkes einen sanften Abstieg bis zu einer Höhe von 20 m. Dort wurde es abgeschaltet um den Boden nicht zu verwirbeln. Zwei kleine Düsen übernahmen den weiteren Abstieg und wurden in 2 m Höhe abgeschaltet. Die restliche Wucht nahmen Federn in den Landebeinen auf. Die Landung erfolgte bei 56.18° Ost und 0.41° Süd auf der Nachtseite. So waren die TV Kameras, welche den Bohrvorgang aufnehmen sollten nutzlos. Eine Stunde nach dem Aufsetzen begann der Bohrer mit seiner Tätigkeit. Er stieß nach 7 Minuten in 35 cm Tiefe auf starken Widerstand und beendete die Arbeit automatisch. Die Probe wurde in die Rückkehrkapsel umgefüllt.

Luna 16 landete bei der Mondnacht, so dass Lampen die Landestelle beleuchteten, damit man die Probenentnahme auf der Erde verfolgen konnte. Die Bilder zeigten aber keine Mondoberfläche sodass man den Azimut des Bohrers nicht anpasste. Er entnahm Gestein aus bis zu 35 cm Tiefe.

Nach Durchchecken der System erfolgte am 21.9.1970 der Rückstart. Die Bahn war eine direkte Aufstiegsbahn, die über den Nordpol der Erde zur Sowjetunion führte. Beim Abbremsen traten Belastungen bis zu 350 g auf. Am 24.9.1970 öffnete sich in 14.5 km Höhe ein Pilotfallschirm über der Steppe von Kasachstan und in 11 km Höhe der Hauptfallschirm. Die Kapsel war weich gelandet und hatte (je nach Quelle) 101-105 g Mondstaub (Regolith) zurück. Das Gestein zeigte große Ähnlichkeiten zu dem am Apollo 12 Landeplatz.

Luna 18 (2.9.1971)

Wieder ein Jahr später gab es die nächste Rückführmission von Mondgestein.

Luna 18 startete fast ein Jahr nach Luna 16 am 2.9.1971. Nach zwei Kurskorrekturmanövern am 4 und 6.9.1971 schwenkte die Sonde am 7.9.1971 in einen Mondorbit ein. Schon hier begannen die Probleme. Aufgrund eines methodischen Fehlers zündete das Triebwerk 15 s zu früh. Man führte nun die Änderung des Orbits durch, doch, weil dies nur ging, wenn die Sonde im Sendebereich von Russland aus war, konnte man so den Zielorbit von 16,9 x 123,9 Grad nicht erreichen stattdessen einen Orbit von 93, 4 x 180,3 km. Der Orbit musste erneut angepasst werden.

Der Mehrverbrauch an Treibstoff führte beim Endabstieg dazu, dass der Schub der Lageregelungstriebwerke stark zurückging und sich die Sonde stark neigte. Bei der Landung brach der Funkkontakt ab. Just als die Sonde bei 56.30 Grad Ost und 3.34 Nord landen sollte, brach der Funkkontakt ab. Die Ursache ist unklar. Sowjetische Wissenschaftler vermuten jedoch keinen Aufschlag, sondern vielmehr ein Umkippen oder eine Beschädigung bei der Landung in eventuell unzugänglichem Gelände.

Veröffentlicht wurden später Daten des Radarhöhenmessers, die auch Aufschlüsse über die geologischen Eigenschaften des Mondbodens gaben.

Luna 20 (14.2.1972)

Nach einer Kurskorrektur am 15.9.1972 schwenkte Luna 20 am 19.2.1972 in einen 100 km hohen Orbit mit 65 Grad Inklination ein. Am 20.2.1972 wurde dieser in einen 21 x 100 km hohen Orbit umgewandelt. Dann begann der Landeanflug. Dies erfolgte in unmittelbarer Nähe zum Luna 18 gebiet bei 56.33 Ost und 3.32° Nord. Doch diesmal glückte die Landung. Zuerst begann der abstieg bis auf den ersten Brennschluss. Dieser war erst in 760 m Höhe (Luna 16: noch 1450 m Höhe). In 600 m Höhe begann die zweite Phase mit dem Endabstieg. Nach 267 Sekunden Betrieb des Triebwerks wurde es planmäßig in 20 m Höhe abgeschaltet. Die Sonde landete nur 1.8 km von dem Platz entfernt, bei dem Luna 18 verunglückt war.

Der Bohrer (Bild links) kam diesmal nur bis in 15 cm Tiefe vorwärts und stoppte dann. Zweimal schaltete sich die Stromschutzschaltung ein. einmal wurde der Bohrer durch Befehl der Missionskontrolle wieder angeschaltet .Eventuell traf er auf hartes Gestein wie einen Brocken unterhalb des Staubs. Die Komponenten des Bohrers sind:

1. Gehäuse der Bohrvorrichtung
2. Rotor
3. Zuführungsschraube
4. Bohrgerät

Durch die geringe Tiefe konnten nur 55 g Bodenproben gewonnen werden. Am 22.2.1972 erfolgte der Rückstart zur Erde. Die Sonde erreichte eine Geschwindigkeit von 2700 m/s und erreichte die Erde am 25.2.1972. Die Bodenproben unterscheidet sich deutlich von der von Apollo 16. Sie besteht vorwiegend aus dem Mineral Anthosit.

Luna 23 (28.10.1974)

Als die Amerikaner ihr bemanntes Mondprogramm schon abgeschlossen hatten, baute die Sowjetunion eine modernisierte Version der Luna 15-20 Sonden. Luna 23+24 hatten verbesserte Bohrer die deutlich tiefer bohren konnten als die früheren Sonden. Anstatt maximal 50 cm nun bis zu 250 cm. Diese wurden nun vollständig programmgesteuert. Über die Startmasse gibt es widersprüchliche Angaben von 5.300, 5.600 und 5.850 kg. Weitere Verbesserungen waren Fernsehkameras, die nun so angeordnet waren, dass sie die Bohrung in Stereo darstellen konnten.

Der Start von Luna 23 fand am 28.10.1974 statt. Luna 23 schwenkte nach einer Kurskorrektur am 31.10.1974 am 2.11.1974 in einen 94 × 101 km hohen Orbit mit 42° Inklination ein. Nach Absenken des mondnächsten Punktes (Bahn: 16,28 km x 105 km landete die Sonde am 6.11.1974 bei 13° Nord und 62° Ost. Die Landung verlief zuerst nach Plan: In .2280 m Höhe war die erste Phase des Brennens beendet. In 600 m Höhe begann die zweite Phase, die Umschaltung auf den zweiten Messbereich des Radarhöhenmessers für den zweiten Abschnitt der Bahn unterblieb aber. Der erste Messbereich war für große Höhen gedacht und hatte nahe des Bodens eine zu geringe Auflösung. Schon in 130 m Höhe wurde die Höhenmessung gestoppt. Als Folge landete Luna 23 mit zu hoher Geschwindigkeit. 11 m/s - mehr als zweimal so schnell wie vorgesehen (nominell 5 m/s) und zudem schräg, 10-15 Grad gegen die Horizontale geneigt.  So kippte das Gerät zur Seite der Bodenprobenahmevorrichtung, was zu einer mechanischen Beschädigung des Objekts, einer Druckentlastung der Avionik und einem Ausfall des Dezimeter-Senders führte. Versuche die Bodenprobeentnahme zu starten und die Rückstartrakte vorzubereiten scheiterten. Man führte mit dem Lander noch bis zum Erschöpfen der Batterien am 9.11.1974 Experimente durch.

Luna 24 (9.8.1976)

Zu einer Zeit als schon Viking 1 auf dem Mars gelandet war, startete die letzte Luna Sonde zum Mond. Kurz vorher war eine weitere Luna Sonde bei einem Fehlstart verloren gegangen. Nach einem Kursmanöver am 11.8.1976 erreichte die Sonde den Mond am 14.8.1976. Die Sonde erreichte einen kreisförmigen Orbit von 115 km Höhe und 60° Inklination. Am 17.8.1976 wurde der mondnächste Punkt auf 18 km abgesenkt und die Sonde landete bei 12.45° Nord und 62.13° Ost nahe des Landeplatzes von Luna 23. Der Bohrer konnte nun eine Tiefe von 2 m erreichen. Es wurde ein 8 mm breiter Bohrkern von 225 cm Länge aufgewickelt. Die Bodenprobe war mit 170.1 g Gewicht die schwerste aller drei geglückten Luna Sonden. Am 19.8.1976 erfolgte der Rückstart von der Erde, gefolgt von einer Landung in Westsibirien am 23.sten August.

Damit war das sowjetische Mondprogramm nach 18 Jahren und insgesamt 44 Starts beendet.

Fahrzeuge auf den Mond (Luna 17,21)

In der chronologischen Reihenfolge erfolgte der erste Start eines Lunochods, eines Mondrovers vor dem Start der Rückführung von Mondproben. Doch da dieser nicht glückte und die erste erfolgreiche Mission Luna 17 war, sollen diese an dieser Stelle besprochen werden.

Man verwandte die Landestufe von Luna 15-20 m einen Rover auf den Mond zu bringen. Dort operierte er über Monate und wurde von der Erde aus gelenkt. Es gab zwei Mondautos (Lunochods). Lunochod 2 war gegenüber Lunochod 1 deutlich verbessert worden. Auf der Landestufe befanden sich Rampen von denen die Rover herunterrollen konnten.

Die projektierte Lebensdauer der Sonden waren drei Mondtage, das sind 84 Tage. Polonium diente als Wärmequelle mit kurzer Halbwertszeit. Sie limitierte die Lebensdauer, da ohne diese Quelle das Fahrzeug in der 14 Tage dauernden Mondnacht zu stark auskühlte.

Fehlschläge

Vor dem Start von Luna 15 wurde schon versucht ein Lunochod zu landen. Doch der erfolgreiche Start fand erst ein Jahr später statt. Die Polonium Quelle der verunglückten Sonde konnte trotz intensiver Suche nicht gefunden werden. Es hielt sich hartnäckig das Gerücht, Soldaten hätten diese zur Heizung der Baracken benutzt. Anders bei den anderen Teilprogrammen blieb es aber bei diesem einen Fehlstart.

Luna 17 (10.11.1970)

Diese Sonde transportierte das Mondmobil Lunochod 1 auf den Mond. Lunochod war fast so groß wie ein Auto des Typs "Smart": 1.35 m hoch (Mit Antennen 1.54 m) , 215 m breit und 2.21 m lang und 756 kg schwer. Die instrumentelle Nutzlast bestand aus:

• Einem Kamerasystem: zwei niedrig auflösende und vier hochauflösende Fernsehkameras.
• Röntgenfluoreszenzspektrometer.
• Penetrometer.
• Laserreflektor. Zur Erhöhung der Reflektionseigenschaften mit Silber beschichte Linsen.
• Strahlendetektor für Protonen, Alphastrahlen, Röntgenstrahlung.
• Strecken und Geschwindigkeitsmesser.

Das Antriebssystem bestand aus acht Rädern. Jedes konnte unabhängig von dem anderen bewegt werden. Jedes war auch einzeln aufgehängt und gefedert. Es gab vier Vorwärts und zwei Rückwärtsgeschwindigkeiten. Die Maximalgeschwindigkeit betrug 2.5 km/h. Zurückgelegt wurden bis zu 100 m/Stunde. Bei Blockaden konnte ein Rad ausgekuppelt werden. Die Spurweite beträgt 1.60 m. Jedes Rad besteht aus einer Metallnetzkonstruktion mit aufgesetzten Titanrippen. Es hat einen Durchmesser von 51 cm und eine Breite von 20 cm. Steigstufen im Profil sollten auch ein manövrieren in unwegsamen Gelände (Sand) ermöglichen. Aufgrund der Anforderungen des Fahrwerks hatte zur Vergabe des Auftrags an ein Kombinat geführt, das Spähpanzer produzierte. Dort kam man von den favorisierten Raupen als Antrieb ab, da man die Gefahr zu hoch abschätzte das sie sich festfressen konnten. Die Räder bestanden aus einer Aluminium-Titanlegierung die zugleich hoch beanspruchbar und leicht war. Für den Elektromotor wurde ein fluoriertes Öl als Schmiermittel entwickelt das auch im Vakuum nicht verdampfen sollte. Sie wurden trotzdem hermetisch versiegelt und mit einem Satellitenstart getestet. Über Jahre hinweg wurden verschiedene Fahrzeuge getestet. Simulationen der Mondoberfläche waren unwegsame von Vulkanischen Eruptionen geprägte Landschaften auf Kamtschatka.

Lunochod 1 wurde am Boden von einem Team von fünf Kontrolleuren gesteuert. (Kommandant, Fahrer, Betriebsingenieur, Navigator, Funker). Das Problem waren die 3 Sekunden Zeitverzögerung durch die Strecke Erde-Mond-Erde. Den Strom lieferten Solarzellen auf der Innenseite des Deckels (Durchmesser 2.15 m) auf beiden Seiten angebracht waren. Tagsüber wurde dieser aufgeklappt um Strom zu liefern, nachts wurde er geschlossen um das Auskühlen zu minimieren. Das Auskühlen während der Mondnacht sollte eine radioaktive Polonium-210 Quelle verhindern. Die Halbwertszeit dieses Isotops beträgt aber nur 138 Tage, so dass seine Wärmeabgabe innerhalb eines Jahres auf zirka ein Achtel sinkt. Der Behälter aus einer Magnesiumlegierung ist hermetisch abgeschlossen. Zu Beginn herrschte eine Temperatur von 16°C bei 1000 Millibar Druck. Das Polonium erhitzte Luft die durch Ventilatoren durch ein Röhrensystem zirkulierte und so das innere aufheizte. Während des Mondtages konnte es im Innern zu heiß werden, dann konnte man die Luft durch ein Kühlelement an der Außenseite leiten bei dessen Passage (wenn dieser sich im Schatten des Deckels befand sie sich abkühlte

Die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke maß ein an der letzten Achse mitlaufendes Rad, dessen Umdrehungen gemessen wurden. Vorne sind zwei Fernsehkameras nach dem Prinzip eines Telephotometers angebracht. Jede Kamera wog 1.3 kg und übertrug maximal 6000 Zeilen mit je 500 Punkten pro Bild. Sie waren weiterentwickelte Scankameras wie sie bislang alle Luna Landesonden einsetzten. Sie waren um 15 Grad zur Roverachse geneigt. Ein 1000 Hz Signal erlaubte es zwei Panoramen gleichzeitig zu erstellen, die dann auf zwei Carrier von 130 und 190 kHz moduliert wurden.

Diese Kameras dienten wissenschaftliche Zwecken. Daneben gab es an der Seite weitere Kameras zur Navigation. Sie hatten nur 250 Zeilen, lieferten aber im Mittel ein Bild in 10 Sekunden. Für die Navigation lieferten Fühler an den Rädern, Neigungsmesser und eine Kreiselanlage weitere Daten. Die TV Kameras konnten Bilder unterschiedlicher Auflösungen machen mit 3.2, 5.7, 10.9 und 21.1 Sekunden pro Bild. Auf der Erde bauten sie sich zeilenweise auf, was das Navigieren nicht einfacher machte. Der Sichtbereich der beiden Navigationskameras betrug 360 x 30 Grad und der von allen vier Panormakameras zusammen 180 x 30 Grad,

Übertragen wurden die Daten durch eine schwenkbare Wendelantenne und eine Spiral-Kegelantenne. Ein Kontrolleur war nur verantwortlich diese Antennen immer auf das Empfangsgebiet der Erde auszurichten.

Ein weiteres Experiment war das Röntgenteleskop RT-1. Es schaute vom Behälter nach oben. Durch eine Verkleidung war das Gesichtsfeld auf 3 Grad eingeengt worden. Ein Detektor mit 6,5 cm² war zweigeteilt. Eine Hälfte war mit einem Filter abgedeckt, der nur Röntgenphotonen zwischen 0,2 und 0,8 nm (1,5 bis 6 keV) Energie passieren lies und ein zweiter ohne Filter. Es konnte durch die Rotation des Monds einen 3 Grad breiten Streifen am Himmel abtasten (0,5 grad/h).

Nach zwei Kurskorrekturen am 12. und 14.11.1970 schwenkte Luna 17 in einen 84 x 141 x 39° Orbit ein. Am 16.11.1070 wurde das Periliunäum auf 19 km abgesenkt und am 17.11.1970 landete Luna 17 auf dem Mond bei 38.17 Grad Nord und 35 Grad West. Während der 301 Tage in denen die Sonde aktiv war, legte Sie 10.54 km zurück. Sie machte 20.000 Aufnahmen und 206 Panoramen. An 500 Stellen maß das Penetrometer die physikalischen Eigenschaften der Mondoberfläche. An 25 Stellen wurde die Oberfläche mit dem Röntgenfluoreszenzspektrometer untersucht. 80.000 m² der Oberfläche wurden untersucht oder im Bild festgehalten. Der letzte Kontakt kam am 14.9.1971 zustande. Bei beginn des neuen Mondtages am 30.9.1972 antwortete Lunochod 1 nicht mehr. Bis zum 4.10.1971 versuchte man noch den Lander anzusprechen, doch ohne Erfolg. Ursache für den Ausfall war die über die Betriebsdauer gesunken Wärmeabgabe der Poloniumquelle, die schließlich nicht mehr ausreichte um die Sonde während der 14 Tage dauernden Mondnacht ausreichend zu wärmen.

Mehrere kritische Situationen wurden bewältigt, so fuhr Lunochod 1 einmal in einen Krater und man unterschätzte die steilen Wände, es fuhr selbst nach Einlegen des Rückwärtsganges weiter. Erst nach 9 Stunden konnte es den Krater wieder verlassen. Insgesamt wurde 3930 Stunden lang der Rover gesteuert. Die Zusammensetzung des Bodens wurde wie folgt ermittelt: Silizium (20%), Eisen (12%), Calcium (8%), Aluminium (7%), Magnesium (7% ), Titan (<4%) und Kalium (<1%).

Fahrtstrecken:

Lunochod 1 wurde auch für Lasermessungen genutzt, allerdings nur kurz. Die westlichen Observatorien verloren die Sonde 1971 und funkten in der Folge nur noch Lunochod 2 an. 2010 wurde die Sonde auf LRO Aufnahmen wiederentdeckt (offenbar wusste nicht einmal Russland die genauen Koordinaten). Die Abweichung vom angegebenen Landeplatz waren mehrere Kilometer. Mit einer Genauigkeit von 100 m war die Position genau genug um eine Suche zu starten, und seitdem peilt das McDonald Observatorium regelmäßig die Sonde an. Ihr Signal ist (verglichen mit der Größe des Reflektors) stark 2000 Photonen am ersten Tag, vergleichen mit maximal 750 von Lunochod 2 auch weil der Reflektor günstig ausgerichtet ist. Die Position ist ideal um weitere Daten über einen flüssigen Kern des Monds zu bekommen (wenn dieser einen hat, die Theorie ist noch umstritten).

2013 kaufte der Millionär und spätere Weltraumtourist Richard Garriot bei einer Auktion die Mondsonde Luna 17 inklusive des Lunochods 1 für 68.500 Dollar, was in Russland für Empörung sorgte.

Luna 21 (8.1.1973)

Das zweite Lunochod startete am 8.1.1973. Nach Erreichen einer Umlaufbahn am 12.1.1973 fand am 16.1.1973 die Landung statt. Zielgebiet war der LeMonnie Krater bei 25.51 N und 30.26 Grad Ost. Drei Stunden später rollte das Lunochod 2 von der Rampe. Von 5950 kg Startmasse machte es 840 kg aus. Der Lander wog nach Verbrennen des Treibstoffs noch 1.814 kg mit Lunochod 2. Man hatte das Gefährt technisch verbessert. Es hatte dieselben Abmessungen und Systeme wie Lunochod 1, jedoch eine dritte, zentrale Fernsehkamera, welche die Navigation vereinfachte. Die vorherigen hatten sich als zu niedrig angebracht erwiesen. Die "Fahrer" von Lunochod 1 berichteten, das wäre wie man ein Auto aus "Kniehöhe" steuern sollte.

Lunochod 2 hatte eine Länge von 160 cm, eine maximale Breite von 160 cm und eine Höhe von 135 cm. Neben den Messinstrumenten die auch Luna 17 trug, verfügte Luna 21 auch noch über ein Spektrometer im UV/Visuellen Bereich, ein Magnetometer zur Feststellung von lokalen Magnetfeldern, ein Photometer und ein Gerät zum Nachweis der solaren Röntgenstrahlung. Dazu kam ein Teilchendetektor der Protonen über 30 MeV Energie detektierte. Diese befanden sich an einem 2.5 m langen Ausleger. Durch die dritte Fernsehkamera wurde die Navigation vereinfacht und Lunochod konnte sich schneller bewegen. Nach Ende des ersten Mondtages (28 Erdtage) hatte die Sonde schon eine größere Strecke zurückgelegt, als Lunochod 1 während seiner 322 Tage Mission. Wie Lunochod 1 arbeitete Lunochod nur wenn die Sonne auf die Solarpanels schien. Die Polonium-210 Quelle hielt den Rover während der Mondnacht warm.

Am 9.5.1973 rollte Lunochod versehentlich in einen größeren Krater. Dabei wurde Staub aufgewirbelt, der sich auf die Solarzellen niederschlug. Die Stromversorgung und die Temperatur der Sonde stieg auf 47°C. Alle Versuche den Ursprungszustand wiederherzustellen scheiterten. Am 3.6.1973 wurde die Mission von Lunochod 2 beendet. Trotz des kürzeren Betriebs legte Lunochod 2 über 37 km zurück, machte 80.000 TV Aufnahmen und 86 Panoramen.

Die zurückgelegte Strecke wurde nach Vermessung russischer Experten von Lunar Reconnaissance Orbiter Fotos auf 42,2 bis 42,9 km bestimmt, während Lawotschkin 36,5 km angab. US-Experten, die die Fotos dann genauer untersuchten, kamen auf 39 km.

Ein viertes Lunochod (das erste ging bei einem Fehlstart verloren) wurde gefertigt, aber nicht gestartet. Es steht heute im Museum. Als Grund wurde ein Mangel an Trägerraketen genannt. Die Lunochods waren Meisterstücke der Ingenieurskunst ihrer Zeit. Man muss bedenken, dass diese Geräte 25 Jahren vor dem nächsten Rover, Sojourner eingesetzt wurden. Alexander Kemurdschian, der Konstrukteur der Lunochods konstruierte 1986 in nur drei Monaten den TRS-1 einen ferngesteuerten Roboter, der auf dem Dach von Reaktor 3 radioaktiven Auswurf zurück in Hall beförderte, eine Arbeit die vorher von Menschen gemacht wurde und vielen dieser "Liquidatoren" das Leben kostete. 1990 wurde er vom JPL eingeladen an ihren Roverexperimente  teilzunehmen und er brachte Pläne für ein Marsochod mit, das sich nach Nachbau als manövrierbar selbst in Sanddünen erwies.

Orbiter der zweiten Generation (Luna 19,22)

Die für Mondlandungen entwickelte Landestufe konnte auch eingesetzt werden, um einen Orbiter in den Mondorbit zu transportieren.

Basis war die Luna 17 Mission. Dafür wurden die Rampen für die Lunochods entfernt, der Höhenmesser war nicht mehr an der Regelung beteiligt, maß aber das Höhenprofil, die Dopplerausrüstung wurde entfernt. Als Bus für die Instrumente dient ein Lunochod ohne Chassis und Polonium-Heizung. Der Kühler wurde von oben zur Seite bewegt. Auf den durch den Wegfall der Rampen freigewordenen Flächen wurden weitere Solarzellen angebracht.

. Zum ersten mal war es auch möglich für einen sowjetischen Orbiter die Bahn zu verändern. Als einziges Subprogramm der sowjetischen Mondforschung blieb dieses Unternehmen von Fehlstarts verschont.

Die Kameras arbeiteten wie die auf den Lunochods nach einem Scanner Prinzip. Eine 180 Grad Fischaugenlinse diente als Objektiv. Ein Spiegel wurde in der Vertikalen bewegt, während die Bewegung der Sonde die horizontale Bewegung ergab. Ein Panorama hatte bei einer Scanrate von 4 Zeilen pro Sekunde eine Auflösung von 100 m vertikal und 400 m horizontal, da sich die Sonde mit 1.6 km/s über die Mondoberfläche bewegte.

Luna 19 (28.9.1971)

Luna 19 hatte die Aufgabe hochauflösende Bilder zu machen und Anomalien des Schwerefeldes zu erforschen. Die beim Start 5700 kg schwere Sonde verfügte über folgende Experimente:

• Kamerasystem
• Gammastrahlenspektrometer
• Radarhöhenmesser (32 cm Wellenlänge)
• Meteoritendetektoren
• Magnetometer
• Detektoren für kosmische Strahlen (kosmische Strahlen 1-30 MeV, Protonen bis 40 MeV)
• Strahlenmessgeräte
• Radiowellen 60 Hz - 1 MHz (Luna 22)

Der Start mit einer Proton Block D erfolgte am 28.9.1971. Am 2.10.1971 schwenkte die Sonde in einen 140 km hohen kreisförmigen Orbit mit 40.22° Inklination ein. Am 6.10 wurde dieser in einen 127 × 135 km Orbit verändert und am 28.11 in eine 77 × 385 km Orbit. Die Sonde begann Panoramaaufnahmen eines Gebietes von 30-60 Grad Süd und 20-80° Ost zu machen. Bedeckungsexperimente im Mai und Juni 1972 erlaubten es die Konzentration von geladenen Teilchen bis in 10 km Höhe zu bestimmen. Weitere Untersuchen betrafen den Sonnenwind, gemeinsam mit Venera 7+8 und Mars 2+3. Zwischen dem 3 und 20.10.1972, nach mehr als einem Jahr Betrieb und 4000 Mondumläufen, wurde der Betrieb von Luna 19 eingestellt.

Luna 19 lieferte insgesamt fünf Panoramen und 41 Bilder.

Luna 22 (29.5.1974)

Luna 22 war identisch in Aufbau und Instrumentierung zu Luna 19. Er schwenkte am 2.6.1974 in einen 219 × 222 Orbit mit 19.63 Grad Inklination ein. Dieser Orbit wurde zuerst während der ersten Tage und dann in Abständen von ca. fünf Monaten siebenmal verändert. Die extremsten Werte waren 30 km Mondnähe bei 1578 km Mondentfernung. Die Forschung umfasste wieder das Anfertigen von Fernsehaufnahmen, aber auch die Erforschung der Oberfläche mit einem Gammastrahlenspektrometer. Am 2.4.1975 war die Primärmission beendet. Der Satellit arbeitete aber bis zur Erschöpfung des Treibstoffes am 2.9.1975.

Luna 22 lieferte insgesamt 22 Panoramen.

Zusammenfassung

Das sowjetische Luna Programm ist durchaus zwiespältig zu sehen. In der ersten Phase, die mit Luna 14 endete, war das Programm davon geprägt Erstleistungen zu erbringen und von einem gewissen Aktionismus geprägt. Sobald ein Ziel erreicht war, wurde das entsprechende Programm eingestellt. Wissenschaftliche Ergebnisse mussten dem zurückstehen. Vergleicht man die Aufnahmen von Ranger und Luna 3 oder von Surveyor und Luna 9, so wird dies deutlich.

Das zweite Programm, das Ende der sechziger Jahre startete, beginnend mit Luna 15 wies diese Mängel nicht auf. Hier ging es um anspruchsvolle Ziele: Das Gewinnen von Bodenproben und die Beförderung zur Erde, den Bau eines Fahrzeuges, welches über Monate auf der Mondoberfläche operiert. Dabei erreichten die Sowjets beeindruckende Erfolge, die im Westen angesichts des Apollo Programms kaum wahrgenommen wurden. Erstaunlich ist auch rückblickend, dass man dieses Programm nach der Mondlandung von Apollo 11 nicht einfach abbrach sondern nun ohne Zeitdruck über 7 Jahre hin weiterführte. Als im Westen schon lange sich keiner mehr für den Mond interessierte und schon auf dem Mars die Viking Sonden landeten, stand der Start der letzten russischen Mondsonde gerade erst bevor.

Das Desinteresse am Mond wirkt bis heute weiter. Während man im NSSC für die meisten Planetenmissionen der UdSSR heute relativ brauchbare Kurzbeschreibungen findet, sind die Daten dort zu den Luna Sonden sehr dürftig. Zu Empfehlen sind neben alten Büchern hier die PDF's des Deep Space Chronicle. Diese sind leider nicht verlinkt, so dass man an die Basis URL jeweils zum downloaden ein "1969.pdf" für die Sonden des Jahres 1969 anhängen muss. Für Experimente ist auch die Website von Don Mitchell recht interessant.

Startdaten

Von 45 gestarteten Sonden gelangten nur 24 zum Mond. Von diesen erfüllten 14 ihre Mission, 2 waren teilweise erfolgreich und 8 weitere schlugen auf dem Mond auf. Die Erfolgsbilanz des über fast 2 Jahrzehnte durchgeführten Programms ist also relativ schlecht. um so bewundernswerter ist das die Sowjets selbst nach der Mondlandung der Amerikaner an ihrem Luna Programm weiterarbeiteten.

Online Quellen:

NSSDC Query: NASA's Katalog der Raumsonden und Satelliten

Deep Space Chronicle (PDF einzeln laden: Linkadresse + 1958.pdf, 1959.pdf etc....)

Encyklopädia Astronautica

Don P. Mitchell: Sowjet Exploration of Venus

Artikel zuletzt geändert: 23.10.2013

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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