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Mariner 6+7

Mariner 6+7 waren die ersten Planetensonden der USA die mit einer Atlas Centaur als Trägerrakete gestartet wurden und die einzige Doppelmission des Mariner Programms, bei der keine Sonde einen Fehlstart hatte. Ihre Technik lebte in den folgenden Missionen Mariner 8+9 und 10 weiter.

Einleitung

Ursprünglich plante die NASA nach den Mariner 3+4 Missionen die 1964 startete das Projekt Voyager. Das ambitionierte Ziel dieses Programms war ein Orbiter, der einen kleinen Lander auf dem Mars absetzen sollte. Sehr bald war klar, dass Voyager zu teuer werden würde und auch nicht bald umzusetzen. Als das Gewicht schließlich so weit stieg, dass nur Saturn V Trägerraketen die Sonden starten konnten wurde Voyager eingestellt und man arbeitete an den Mariner 6+7 Sonden, wie Mariner 3+4 Vorbeiflugsonden. Der Umweg über Voyager bedeutete dass man das Startfenster von 1967 nicht nutzen musste. So musste Mariner 6+7 1969 starten. Wie man erst später wusste, bereiteten die Sowjets zum gleichen Zeitpunkt ihre überschweren Mars 69 Sonden vor, die ersten die mit der Proton gestartet wurden. Allerdings erreichte keine von ihnen einen Erdorbit. Intern hieß das Projekt ähnlich: Mariner Mars 69.

Diese Doppelmission zu Mars war die einzigen im ganzen Programm bei der beide Sonden erfolgreich starteten. Anstatt der Atlas-Agena Rakete wurde nun die wesentlich leistungsstärkere Atlas-Centaur als Trägerrakete eingesetzt, wodurch die theoretisch mögliche Sondenmasse mehr als verdreifacht wurde. (von 270 auf bis zu 1.000 kg). Diese hohe Nutzlast wurde bei Mariner 6+7 aber nicht genutzt, die Sonden waren mit 385.6 kg nur um 50 % schwerer als ihre Vorgänger Mariner 3+4. (Meist wird eine Startmasse von 412.8 kg angegeben. Dies ist inklusive des Adapters zur Trägerrakete. Die genaue Angabe des offiziellen Presskit des JPL wurde offensichtlich nach 40 Jahren vergessen). Die geringe Masse ergab sich daraus, dass man die Mariner 3+4 Struktur übernahm und verbesserte, anstatt eine Sonde zu konstruieren, welche die Nutzlast vollständig ausnutzte. Als Folge der geringen Startmasse wurden die Sonden mit höherer Geschwindigkeit gestartet, so dass sie den Planeten schon nach vier bzw. fünf Monaten anstatt acht wie bei Mariner 3+4 passierten.

Heute sind die Mariner 6+7 Sonden weitgehend vergessen. Mariner 4 war die erste Sonde die Bilder vom Mars zur Erde funkte und ist daher bekannt, gleiches gilt für Mariner 9, welche als erste Sonde den Mars kartierte. Die dazwischen liegenden Mariner 6+7 Sonden sind heute kaum noch bekannt. Dabei haben diese Sonden die Technologie für Mariner 8+9 erarbeitet. Ohne Mariner 6+7 gäbe es keine Mariner 9 Sonde!

Die Raumsonden

Die Sonde bestand wie bei Mariner 3+4 aus einem oktogonalen Grundgerüst aus einer Magnesiumlegierung mit einer Diagonale von 138 cm und einer Höhe von 45.7 cm. Es gab wie bei Mariner 3+4 den Mast von 2.23 m Höhe mit der Low Gain Antenne, die 1,02 m große High Gain Antenne wurde diesmal aber beweglich angebracht. Sie konnte so auf die Erde ausgerichtet werden, ohne die Raumsonde zu drehen. Mit den 4 Solarpanel von je 90 × 213 cm Größe hatte die Sonde eine Spannweite von 5.79 m und eine Gesamthöhe von 3.35 m. Die Solarpanel lieferten mit 17.472 Solarzellen bei 7.7 m² Fläche beim Start 800 Watt, in Marsnähe noch 449 Watt Strom. Die wiederaufladbaren Silber-Zink Batterien hatten eine Kapazität von 1.2 KWh. Der maximale Strombedarf bei Mars betrug 380 Watt.

Aufbau der Sonden:

Die Aufteilung der Buchten:

Elektronik

Die technische Ausstattung der beiden Sonden wurde erheblich verbessert. Diese beiden Mariner Sonden hatten einen verbesserten Sequenzer vom Typ D53, der während der Mission umprogrammiert werden konnte.

Ein Sequenzer ist ein Vorläufer eines Computers. Während ein Computer frei programmierbar ist, kann ein Sequenzer zeitgesteuert festgelegte Kommandos zur Steuerung der Sonde ausführen. Man kann aber nicht durch Programme neue Fähigkeiten implementieren. Ein Sequenzer besteht im wesentlichen aus einem Zeitgeber und einem Speicher für die Kommandos sowie einfachen Sprung- oder Zählkommandos.

Der DC52 Sequenzer wog 11.7 kg und hatte einen Speicher von 128 Kommandoworten. 53 Kommandos für die Steuerung der Raumsonde (sowie 9 weitere zur Verzweigung und Schleifen) standen zur Verfügung. Die Missionen bekamen 946 bzw. 956 Kommandos während der ganzen Mission wobei sich eine Neuprogrammierung bis zu vier Stunden hinziehen konnte - Die Datenrate zur Sonde betrug nur ein halbes Bit pro Sekunde. Das Übertragen eines Wortes dauerte 1 Minute. Allerdings empfing jede Mission mehr Kommandos alle die vorhergehenden drei Mariner Missionen zusammen.

Der Speicher der 128 Worten bestand aus Ringkernspeichern und war in Wörter zu je 22 Bit organisiert. (Man glaubte vor dem Flug mit nur 20 Worten auszukommen!). Es gab drei Typen von Worten die gespeichert wurden.

• Kommandos bestanden aus folgender Sequenz: 4 Bit Opcode, 9 Bit für die Adresse wo ein Kommando gespeichert wurde und 9 Bit für die Adresse die nach der Ausführung angesprungen wurde.
• Ein Ereigniswort bestand aus einer 13 Bit Zeitangabe und einer 9 Bit Adresse. Die Ausführung blieb so lange stehen bis dieses Zeitintervall erreicht wurde und sprang dann zur angegebenen Adresse.
• Zum Schluss gab es noch ein Datenwort, in dem die 22 Bit Daten enthielten.

Die 16 Kommandos bestanden aus Dekremtierungs- (Von Stunden, Minuten, Sekunden, Variablen) und Inkrementierungsanweisungen (Zähler, Sprünge), Zähler und Sprüngen sowie den Befehlen ADD und SUB. Diese wurden aber selten eingesetzt, da sie 27 ms zur Ausführung benötigten. Die Taktfrequenz des Sequenzer betrug 2.4 KHz. Dies erlaubte es etwa 100 Kommandos pro Sekunde auszuführen. Damit waren die Sequenzer programmierbar - auch wenn sie keine Computer waren. (Sie konnten nur zeitgesteuert Kommandos zur Steuerung der Raumsonde ausführen). Das Basisdesign der Sequenzer wurde für die Mariner 8-10 Missionen übernommen (nur der Adressbereich von 9 Bit = 512 Byte voll ausgenutzt). Die Zuverlässigkeit des Sequenzers wurde für eine 6 Monatsmission mit 0.928 und für 10 Jahre mit 0.21 angegeben. Dies erklärt auch, warum die Raumsonden doppelt gestartet wurden. Neben der Möglichkeit eines Fehlstarts gab es bei einer Zuverlässigkeit von 0.928 immerhin eine Chance von 7.2 Prozent ((1-0.928)*100), dass der Sequenzer ausfällt. Dass dies nicht nur Utopie war, zeigten andere Missionen des Mariner Programms. Bei der Mariner 2 Sonde gab immer wieder Ausfälle von Lageregelung und Stromversorgung. Bei Mariner 10 gab es ein Leck im Lageregelungstank und ein fehlerhafter Sonnensensor führte dazu, dass die Sonde weiteren Treibstoff verschwendete als sie die Sonne nicht finden konnte.

Für die Erfassung von Messdaten verfügten beide Sonden über einen 23 kg schweren Magnetbandrekorder mit einer Kapazität von 195 MBit. Auf diesen wurden allerdings nur Daten der Kamera analog gespeichert. Es gab einen zweiten digitalen Rekorder, dieser war für die anderen Daten vorgesehen. Zusammen mit einer erheblich verbesserten Fernsehkamera konnte man 41 Aufnahmen auf dem Band abspeichern.

Kommunikation

Die Größten Änderungen gab es aber in der Kommunikation. Die Sonden verfügten über die doppelte Sendeleistung (20 Watt) und erheblich effizientere Wanderfeldröhrenverstärker als Mariner 3+4. Auf der Erde war inzwischen das Deep-Space Network mit größeren Antennen aufgebaut worden. Die Antenne in Goldstone über die die Daten empfangen wurden, hatte sogar 64 m Durchmesser. Mariner 3+4 konnte nur 26 m große Antennen nutzen. Die Passagedistanz lag mit 97 bzw. 101 Millionen km weniger als halb so weit entfernt wie bei Mariner 4 (218 Millionen km). Dies war bedingt durch die kürzere Reisezeit. Alle Maßnahmen zusammen ließen die Datenrate von 8.33 auf 16.200 Bit/s steigen. Dies war allerdings eine Datenrate speziell für Bilder mit höheren Fehlerzahlen. (Kanal C). Dazu gab es den Kanal B für die Telemetrie (Datenrate 8.33 und 33.33 Bit/sec) und Kanal B für die Daten der anderen Instrumente mit 66.66, 270 und 670 Bit/s Datenrate.

Lageregelung

Die Lageregelung und Kurskorrektur war wie bei den bisherigen Mariner Sonden getrennt: Ein Triebwerk mit 223 Newton Schub zersetzte Hydrazin katalytisch. Es hatte einen Gesamtimpuls von 20900 N und diente nur zu Kurskorrekturen. Sekundäreinspritzung an vier Stellen erlaubten eine Schubvektorkontrolle.  Die Lage im Raum wurde dagegen von je zwei Sätzen von je 6 Düsen angetrieben mit Stickstoffkaltgas unter Druck verändert. Daten über die Lage lieferten 3 Kreisel als interne Referenz und 6 Sonnensensoren und ein Sternsensor. Er wurde nach dem Start auf Vega, und nach einigen Tagen wenn der Winkel zwischen Erde und Sonne groß genug war auf Kanopus ausgerichtet. Auf die Sensoren, die Erde, Mars oder Venus bei Mariner 3-5 erfassen sollten, hatte man verzichtet.

Die Instrumente

Verfügte Mariner 4 noch über 18.6 kg an Instrumenten, so stieg die instrumentelle Nutzlast nun auf 64 kg an. Gegenüber Mariner 3+4 war also die wissenschaftliche Nutzlast verdreifacht worden. Die wissenschaftliche Instrumentierung war nun mehr auf die Planetenerkundung ausgerichtet. Es bestand aus zwei Fernsehkameras mit 11x 14° und 1.1 × 1.4 Grad Bildfeldgröße. Ein Infrarotspektrometer und UV Spektrometer sandten Spektren zur Erde, aus denen man die Zusammensetzung der Marsatmosphäre ablesen konnte. Ein Infrarotradiometer maß die Temperaturen im 63 Sekunden Abstand. Man verzichtete komplett auf die Teilchenexperimente für den interplanetaren Raum die man bei Mariner 1-5 durchführte auch ein Magnetometer fehlte. (Wie auf allen folgenden Missionen). So sollte erst 1989 die Sonde Phobos das schwache Mars Magnetfeld entdecken.

Alle Experimente befanden sich auf einer bewegbaren Instrumentplattform. Zusammen mit der Scanplattform wogen die Experimente 75,8 kg. Sie ist durch einen Motor in zwei Achsen um 216 bzw. 64 Grad drehbar.

IR Spektrometer

Erstmals wurde ein IR Spektrometer bei einer Planetenmission mitgeführt. Dies erlaubte es die Zusammensetzung der Marsatmosphäre viel genauer als die bisher zu bestimmen. Daneben sollte es auch die Zusammensetzung der Oberfläche und Südpolkappe bestimmen und die Oberflächentemperaturen messen. Das Spektrometer bestand aus einem Teleskop mit einem Gesichtsfeld von 2 Grad. Dahinter befand sich ein Schlitz, so das, dass Gesichtsfeld 2 × 0.06 Grad betrug. Aus nächster Distanz entsprach dies einem Gebiet von 120 × 3 km. Durch einen Scan konnte ein Gebiet von 120 × 120 km abgetastet werden.

Das Spektrometer arbeitete nicht mit einem Gitter, sondern Interferenzfiltern, die in den Strahlengang geschoben wurden. Ohne Filter empfing das Instrument die gesamte Strahlung. Die passiv gekühlten IR Detektoren waren empfindlich zwischen 1.9 und 14.3 Mikrometern. Kanal 1 deckte den Bereich von 4.0 bis 14.3 Mikrometern ab, Kanal 2 den Bereich von 1.9 bis 6.0 Mikrometern. Die spektrale Auflösung lag bei etwa 0.5 - 1 % der Wellenlänge.

Das Spektrometer befand sich auf der schwenkbaren Scanplattform und konnte so den Mars beim Vorbeiflug Zeile für Zeile abtasten.

Radio Science

Mit dem S-Band Sender wurden bei der Passage von Mars Bedeckungsexperimente durchgeführt, um die Atmosphäre und Ionosphäre zu durchleuchten, Masse und Dichte von Mars zu bestimmen. Dabei wurde das Signal durch den Mars und die Atmosphäre abgeschwächt wenn die Sonden am Mars vorbeiflogen.

TV Kameras

Mariner 6+7 führten zwei Kameras mit unterschiedlicher Brennweiten mit. Die Weitwinkelkamera A hatte eine Brennweite von 50 mm und ein Gesichtsfeld von 11 × 14 Grad. Sie wurde nur bei der nächsten Begegnung eingesetzt. Es handelte sich hier um die umgebaute Kamera von Mariner 4, nur war das Teleskop durch eine Weitwinkellinse ersetzt worden, so dass ein Bild zwar dieselbe Auflösung hatte, aber die 15 fache Fläche wie bei Mariner 4 abbildete. Sie war mit drei Farbfiltern (rot, grün und blau ausgestattet). Sie wog 3,2 kg.

Die Telekamera B verwandte ein Schmidt-Teleskop und hatte eine Brennweite von 508 mm und bildete ein Gesichtsfeld von 1.1 × 1.4 Grad ab. Sie machte schon aus großer Distanz Aufnahmen des Mars. Sie besaß nur einen fest montierten Gelbfilter. Sie wog 14 kg.

Beide Kamera verwandten eine Vidiconröhre die in 704 Zeilen zu je 945 Punkten abgetastet wurde Dabei wurden 7 Bits für die Daten kodiert. Das erste Bit war dabei ein Parity Bit um Fehler zu erkenne, benutzt wurden nur die restlichen 6 Bits für Helligkeitsinformationen (maximal 64 Abstufungen). Der Informationsgehalt eines Bildes betrug 3,15 MBit, das 13 fache dessen, was ein Mariner 4 Bild an Informationen beinhaltete. Ein Bild konnte in 42 Sekunden aus der Videoröhre gelesen und analog auf den Bandrekorder geschrieben werden. Zur Erde dauerte eine Übertragung bei 16200 Bits/sec 195 Sekunden. Die Kameras waren aber so ausgelegt, dass sie alternierend arbeiteten, auch wenn man nur an einem der beiden Bilder interessiert war (bei der Annäherung an den Teleaufnahmen, bei der Passage dagegen an den weitwinkelaufnahmen). Ein Kamerazyklus dauerte so 84,48 s.

Die Telekamera bildet aus 350.000 km Entfernung den Mars formatfüllend ab. Dies war 14 Stunden vor der Begegnung der Fall. Die Kameras waren auf einer um 215 Grad bewegliche Scanplattform montiert. Während des Anfluges detektierte ein Helligkeitssensor den Mars und richtete die Kameras auf den hellsten Punkt im Gesichtsfeld des Sensors aus. Bei dem Vorbeiflug lief eine automatische Sequenz ab, bei der über 17 Minuten alle 42.24 Sekunden alternierend ein Bild aus Kamera A und B ausgelesen und auf Band geschrieben wurde. In der Zwischenzeit wurde das Bild in der andere Kamera gelöscht. Die Sequenz konnte bis einen Tag vor der Begegnung geändert werden. Danach erfolgte das Auslesen der Bilder vom Band und die Rückübertragung zur Erde.

Es gab Farbfilter in den Kameras. Kamera A (Weitwinkel) hatte drei Filter für rot, Grün und Blau um Farbaufnahmen anzufertigen. Kamera B hatte einen festen Gelbfilter, der zum Erhöhen des Kontrastes diente, da der Mars vor allem in gelblich-rötlichen Farben leuchtet.

Die Bilder waren für die damaligen Verhältnisse relativ scharf, litten aber unter einem starken Hintergrundrauschen, das durch die analoge Verarbeitung bis zum Senden mit verursacht wurde. Bei der Passage machten beide Kameras Aufnahmen von 3 km beziehungsweise 300 m Auflösung. Die Vidiconröhre hatte allerdings ein Problem, das auch die Mariner 8+9 Kameras hatten: Das alte Bild wurde mit 5-10 maligem Beschreiben mit dem Elektronenstrahl gelöscht, aber nicht vollständig. Etwa 5-10% der Helligkeit verblieben und zeigten sich als Geistbilder, auffällig vor allem bei Bildern nahe am Horizont oder dunklen Bildern. Dies beeinträchtigte die Auswertung sehr.

Die analogen Daten wurden von dem Senden durch eine Elektronik geschärft und dann durch einen Hochpassfilter geschickt. Dabei ging die absolute Helligkeit jedes Pixels verloren. Zusätzlich wurde jedes siebte Pixel digital gespeichert, allerdings nachdem man die Bits mit der höchsten Helligkeit abgeschnitten hatte. Vom zentralen Viertel bis Fünftel des Bildes gibt es aber keine digitalen Daten, da zu diesem Zeitpunkt die Spektrometer aktiv waren. Als Ausgleich dafür wurden die digitalen Pixel in der Bildmitte in Realzeit gesandt (1/28 aller Pixel)

Die Optik der beiden Kameras wurde auch für die Mariner 8+9 Mission verwendet, dort hatte man aber die Elektronik vom analog-digitalen System auf ein voll digitales System umgestellt, was bessere Bilder ermöglichte (verringertes Hintergrundrauschen und kürzere Belichtungszeiten).

UV Spektrometer

Das UV Spektrometer sollte die obere Atmosphäre nach Molekülen und Atomen untersuchen, die solare UV Strahlen absorbieren. Es handelte sich um ein Ebert-Fastie Spektrometer mit zwei Photomultipliern als Detektoren. Bei diesem Spektrometer wird das UV Spektrum nicht durch viele Detektoren simultan gewonnen, sondern die Detektoren fahren das Spektrum ab, messen also nacheinander verschiedene Spektrallängen. Bei Mariner 6+7 geschah dies durch Bewegen eines Spiegels der das Spektrum über die Detektoren streichen ließ.

Ein Scan dauerte 2.82 Sekunden, das Zurückfahren weitere 0.18 Sekunden. Detektor A maß zwischen 190 und 430 nm, Detektor B zwischen 110 und 210 nm. Die Auflösung betrug 2 nm bei 295 nm Wellenlänge. Ein Spektrum umfasste 600 Werte von jedem der beiden Detektoren. Alle 3 Sekunden wurde ein Spektrum gewonnen. Die Qualität der Spektren war vergleichbar mit den besten die mit Höhenraketen von der Erde aus gelangen.

Untersuchungen der Lyman Alpha Linie bei 121.6 nm wurden auch vor und nach der Marsbegegnung durchgeführt. Dies war das einzige Experiment das auch während dem Flug zum Mars aktiv war.

Infrarotradiometer

Das Zweikanal Radiometer von Mariner 6 und 7 maß die vom Mars emittierte thermische Infrarotstrahlung in den Spektralbereichen 8-12 und 18-25 Mikrometern. Es hatte einen maximalen Messbereich von 120 bis 330 K (-151 bis + 59 Grad Celsius). Der optimale Arbeitsbereich des Instruments lag bei 150 - 325 K, also -121 bis +54 Grad Celsius. Der Messfehler lag bei 0.6 K bei 140 K und 0.12 K bei 300 K. Das Instrument auf der Scanplattform bestand aus einem Refraktorteleskop und einem ungekühlten Antimon-Bismut Detektor. Dieser konnte in 3 Positionen geschwenkt werden. In der ersten schaute er auf den Weltraum, dessen Strahlung man zu 0 K annahm, im zweiten detektierte er Infrarotstrahlung aus dem Strahlengang des Teleskops vom Mars, im dritten konnte er auf eine Platte mit bekannter Temperatur (eine Aluminiumplatte) ausgerichtet werden. Dies ermöglichte eine Zwei-Punkt Eichung.

Beide Kanäle waren Teleskope mit infrarotdurchlässigen Linsen gekoppelt. Die Öffnung betrug 20 cm² und hatte ein Gesichtsfeld von 30 Grad. Auf halbem Weg zu den Detektoren konnte ein drehbarer Spiegel auf eine Platte aus Aluminium und einen 20 × 20 Grad Ausschnitt des Weltraums schauen. Das Gesichtsfeld bei Kanal 1 lag bei 0.53 × 0.53 Grad, das von Kanal 2 bei 0.7 × 0.7 Grad. Detektoren waren in beiden Fällen Bismutantimonid Thermoelemente von 0.25 x 0.25 bzw. 0.4 × 0.4 cm Größe. Das Radiometer war parallel zu den Kameras angeordnet und konnte sie die Temperaturen der fotografierten Gebiete messen.

Es gab einen Messzyklus: Zuerst wurde 4.2 Sekunden lang der Weltraum angeschaut und das Instrument kalibriert, dann wurden 13 Messungen von 2.1 Sekunden Dauer vom Planeten gemacht. Dann eine 2.1 Sekunden dauernde Beobachtung der Platte zur Kalibrierung und dann weitere 14 Messungen des Planeten im Intervall von 2.1 Sekunden. Die eigentliche Messung von zwei Kanalwerten dauerte nur 200 ms. Zusammen gab dies einen 63 Sekunden Zyklus aus 30 Frames. Dieser wurde während des Vorbeiflugs wiederholt. Die Auflösung lag bei 3500 km Entfernung bei 33 km (Kanal 1) bzw. 43 km (Kanal 2). Eine nur leicht modifizierte Version dieses Instruments kam auch bei der Mariner 8+9 Mission zum Einsatz.

Die Mission

Die Mission von Mariner 6+7 wurde am 22.12.1965 genehmigt. Zuerst sollte es nur eine verbesserte Mariner 4 Mission werden, heraus kam allerdings eine völlig neue Raumsonde. Die Raumsonde setzte zum ersten mal Sequenzer ein, die ein Programm ausführen konnten, das man während des Fluges ändern konnte. Die Datenrate war durch neue Transmitter und bessere Antennen auf der Erde um den Faktor 2000 angestiegen. Mariner Mars 69, wie die Sonden vor dem Start hießen, führten so viele neue Technologien ein, dass die folgenden 3 Sonden diese weitgehend übernahmen. Mariner 8+9 war im wesentlichen eine Mariner 6+7 Sonde mit einem Antrieb und neuen Instrumenten, selbst bei Mariner 10 wurden noch zentraler Elektronikteil mit Antrieb, Lageregelung und Sequenzer übernommen. Es verwundert daher nicht, das Mariner 6+7 mit 145 Millionen USD die teuersten Mission des Mariner Programms waren.

Wie alle Mariner Sonden liefen die Sonden bis zum Start unter einem Buchstabencode (Mariner G und Mariner H). Weiterhin gebräuchlich ist die Programmbezeichnung Mariner Mars 69. Bei den JPL Veröffentlichungen findet man fast nur die Bezeichnungen Mariner 6+7 und in anderen NASA Veröffentlichungen meist Mariner Mars 69.

Die Starts der Sonden erfolgte am 24.2.1969 und 27.2.1969. Die relativ geringe Startmasse (Eine Atlas Centaur kann bis zu 1000 kg zum Mars befördern) ermöglichte es die Sonden auf eine sehr schnelle Bahn zum Mars zu schicken. Die Distanz von der Erde betrug damit auch nur 97 bzw. 101 Millionen km, wodurch die hohe Datenrate der Sonden möglich wurde. Mariner 4 war beim Vorbeiflug 218 Millionen km von der Erde entfernt. Die Vorbeiflugdistanz wurde so gewählt, dass es einerseits gute Bilder gab, andererseits die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonden auf dem Mars aufschlugen klein war. Vor dem Start gab man diese mit 1:30.000 an. Die Sollbahn sollte beide Sonden auf 2.000 Meilen (3.218 km) an den Mars heranführen.

Während des Fluges zum Mars machte man Experimente um die Distanz zu den Sonden genauer zu bestimmen. Dazu sandte man eine Zufallsfolge von Impulsen zu den Sonden und diese sandten diese verstärkt, aber unverändert zurück. Die Signallaufzeit konnte so bis auf eine Impulsbreite von 10 Mikrosekunden (gleich etwa 3 km) genau bestimmt werden. Da damit die Bahn besser bekannt war und die Sonden den Mars aufnahmen, konnte man auch die Bahn des Mars genauer bestimmen - bis auf etwa 300-500 km Genauigkeit.

Geplant waren beim Vorbeiflug von jeder Mission 24 Detailaufnahmen bei der Passage, sowie mindestens 8, aber bis zu 90 Aufnahmen bei der Annäherung, Diese sollte in 6.000 Meilen (9.600 km) Entfernung beginnen und bis in 3.200 km Entfernung fortgeführt werden.  Geplant waren folgende Aufnahmesessionen:

Die Bilder der Fernerkundung wurden alle 37/48 Minuten gemacht (Mariner 6/7) und deckten so eine Rotation des Planeten ab. Sie wurden jeweils am folgenden Tag überspielt. Bei dem Vorbeiflug waren jeweils 24 Bilder während 7 Minuten geplant, die alternierend jeweils eine Tele- und Weitwinkelbild umfassten. Das Überspielen der Bilder von Mariner 6 kann abgebrochen werden, wenn am 1.8, die Vorbereitungen für die Mariner 7 Mission beginnen. Die Daten werden dann nach der Passage von beiden Sonden abgerufen. Das Auslesen des Bandspeichers wird mehrmals bis zum 17.8.1969 wiederholt.

Mariner 7 sollte eine weitere Far-Encounter Aufnahmesequenz haben, die in größerer Entfernung startet.

Die Mission von Mariner 6

Vor dem Start von Mariner 6 kam es zu einem Zwischenfall. Zehn Tage vor dem geplanten Start, als Mariner 6 schon auf der Atlas Trägerrakete montiert war, wurde irrtümlich ein Ventil in der Atlas betätigt. Das Helium, welches bei der Atlas einen Innendruck aufbaut, damit diese nicht unter dem Eigengewicht kollabiert, entwich, und die Rakete begann zu "schrumpfen". Geistesgegenwärtig betätigten zwei Techniker neben der Rakete Pumpen und konnten den Kollaps aufzuhalten. Die Techniker bekamen dafür später einen Orden. Mariner 6 und die Centaur wurde von der Trägerrakete entfernt und mit der Atlas von Mariner 7 gestartet. Es war der erste Einsatz einer Atlas Centaur als Trägerrakete für eine planetare Mission. Mariner 6 startete schließlich am 24.2.1969. Die Centaur brauchte die Sonde in eine direkte Bahn zum Mars ohne vorher in eine Parkbahn einzuschwenken. Diese Vorgehensweise wurde von der NASA bei allen Mond- und Planetensondenstarts mit der Atlas Centaur beibehalten bis zur Mariner 10 Mission, als man erstmals eine Parkbahn einschlug. Die Bahn war eine 0,99 x 1,588 AE Bahn (148,1 x 237,5 Millionen km von der Sonne entfernt).

Der Flug von Mariner 6 war weitgehend reibungslos. Wie bei ihrer Schwester Mariner 7, hatte die Centaur die Sonde sehr genau auf den vorgegeben Flugpfad abgesetzt. Am 1.3.1969 korrigierte die Sonde ihren Kurs durch eine 5.35 Sekunden dauerndes Zünden des Haupttriebwerks. Sie beseitigte Ungenauigkeiten des Starts und brachte sich auf optimalen Kurs zum Mars. Geplant für diese Sonde waren 50 Aufnahmen, beginnend 48 Stunden vor dem Vorbeiflug und 24 Aufnahmen beim Vorbeiflug die auf Band gespeichert wurden. Am 2.3.1969 wurden die Halterungen der Scanplattform abgesprengt.

Am 25.4.1969 verlor der Sternsensor Sonde den Kontakt zum Canopus. Die Sonde wurde dann einige Tage in einem Modus betrieben bei dem die Lage durch die Gyroskope geregelt wurde. Als Ursache vermutete man Partikel die durch das Mitkursmanöver abgelöst wurden und nun neben der Sonde trieben und den Sternsensor verwirrten. Man erarbeitete für beide Sonden einen Backupplan um sie nur mit den Gyroskopen auszurichten.

Am 29.7.1969 wurden die TV Telekamera zur Beobachtung von Mariner 6 in Betrieb genommen. Diese sollte die Lücke schließen zwischen den besten Teleskopbeobachtungen und Aufnahmen bei der Begegnung, die nur kleine Teile der Oberfläche zeigten. Die Entfernung zum Mars betrug 1.126.540 km. Bis zu 206.680 km Entfernung wurden 50 Aufnahmen gemacht und zur Erde übertragen. Dies geschah in 2 Perioden von 48 bis 28 Stunden vor der Begegnung (50 Bilder) und 22 bis 7 Stunden (17 Bilder). Die Bilder wurden zuerst auf Band gespeichert, wobei sie einen zeitlichen Abstand von einer Stunde hatten um eine ganze Rotationsperiode abzudecken.

Jedes Bild wurde in einem analogen und zwei digitalen Formaten übertragen. Die Bilder wurden auf der Erde zu einem zusammengesetzt und auf Bildschirmen dargestellt und auf 70 mm Film abfotografiert. Später wurden die Bilder von IBM 360/44 Computern digital verarbeitet. Bilder konnten nur gesendet werden, wenn die Mariner Sonde im Empfangsbereich der Goldstone 64 m Antenne war. Die anderen Stationen des DSN hatten zu diesem Zeitpunkt noch keine 64 m Antennen. Die Auflösung dieser aus großer Entfernung gemachten Bilder betrug etwa 20 km. Sie zeigten geologische Formationen von mehr als 100 km Größe. Leider waren die Aufnahmen sehr verschmiert. Dies lag an einer Oxidation der Schreib/Leseköpfe. Sieben Bilder von Mariner 6 zeigten bei der Annäherung mehr als den ganzen Planeten. Die Auflösung der Bilder lag bei Mariner 6 bei 34.4 bis 5.5 km/Pixel.

Am 31.7.1969 passierte die Sonde den Mars nach 156 Tagen Flug in 3412 km Entfernung und nahm 13 Minuten 59 Sekunden vor der nächsten Begegnung bis 2 Min 55 nach der nächsten Begegnung weitere 25 Bilder von beiden Kameras auf, die am nächsten Tag zur Erde übertragen wurden. Alle Experimente waren aktiv. Beim Radiometer war ein Kanal ausgefallen beim IR Spektrometer lieferte nur Kanal 2 Daten. Die Kamera hatte den Planeten 17 Minuten lang beobachtet, das Radiometer 21 Minuten lang. Das IR Spektrometer und UV Spektrometer 29 Minuten lang. Die Bilder waren auf der Südhalbkugel zwischen 10 Grad und 30 Grad Süd und 330 bis 130 Grad West entstanden. Es wechselte sich eine Weitwinkel mit eine Teleaufnahme ab. Die Kameras waren nebeneinander angeordnet sodass die Teleaufnahme die Bildmitte der Weitwinkelaufnahme zeigte. Insgesamt hatte Mariner 6 75 Bilder vom Mars übermittelt

Die Mission von Mariner 7

Mariner 7 hatte anders als ihre Schwester einige Probleme beim Flug. Sie startete am 27.3.1969, mehr als einen Monat nach Mariner 6, kam jedoch nur fünf Tage später beim Mars an. Da die Atlas von Mariner 7 schon mit Mariner 6 gestartet war, montierte man Mariner 7 mit der Centaur auf die Atlas die für den ATS-E Satelliten vorgesehen war. Sie gelangte in einen 0,971 x 1.568 AE Orbit (145,4 x 234,5 Millionen km von der Sonne entfernt). Als man fünf Tage nach dem Start den Sternsensor von der Vega auf Canopus umstellte verlor der Sternsensor dauernd den Stern aus dem Gesichtsfeld, so dass man einige Tage lang wieder Vega als Referenz nahm.

Mariner 7 machte am 8.4.1969 eine Kurskorrektur um sich Mars zu stärker nähern. Dazu wurde das Haupttriebwerk 7.6 Sekunden lang gezündet. Die Vorbeiflugdistanz reduzierte sich so von 16.500 auf 2.000 Meilen und die Sonde wurde um 16 m/s schneller und erreichte den Mars 15 Minuten früher.

Mariner 7 verlor kurzzeitig den Funkkontakt zur Erde. Am 8.5.1969 betrieb man die Sonde im Gyro-Mode, d.h. benutzte nur die Daten der Gyroskope um Änderungen der Lage festzustellen um die Probleme die Mariner 6 mit dem Kanopus Sternsensor hatte zu vermeiden. Man kannte ja zu diesem Zeitpunkt schon das Problem von Mariner 6. Am 30.7.1969 entwich nach einem Mikrometeoritentreffer Elektrolyt aus der Batterie, die dadurch ausfiel. Gleichzeitig zeigte die parabolische Hochgewinnantenne nicht mehr auf die Erde und die Bodenkontrolle schaltete auf die ominidirektionale Niedriggewinnantenne um. Das als der Silberzinkbatterie austretende Elektolytgas hatte der Sonde einen Schubs gegeben, wodurch sich die HGA von der Erde wegdrehte und sie sich 130 km mehr dem Mars nähern würde. Doch bis zum 31.7.1969 war die Sonde wieder auf die Erde ausgerichtet. Nun war es möglich den Roboterspäher nur noch mit dem Strom der Solarzellen betreiben. Das war eine spannende Situation, denn das Ausgasen passierte nur sechs Tage vor dem Vorbeiflug und nahezu zeitgleich mit der nächsten Begegnung von Mariner 6 mit dem Mars,

Nachdem man von der Schwestersonde 25 Aufnahmen der Südhalbkugel gewonnen hatte, programmierte man Mariner 7 um, um mehr Aufnahmen, vor allem bei der nächsten Begegnung zu erhalten. Geplant waren ursprünglich 92 Bilder aus größerer Entfernung (ab 72 Stunden vor der nächsten Begegnung) und lediglich 24 beim Vorbeiflug.

Am 2.8.1969 näherte sich Mariner 7 dem Planeten und funkte innerhalb der nächsten zwei Tage 93 Reihenaufnahmen des Mars im Halbstunden Takt zur Erde. Die erste Aufnahme wurde 68 Stunden vor der Begegnung aus 1.844.034 km Entfernung gemacht, die letzten fünf Stunden vor der Begegnung aus 130.095 km Entfernung. Dabei gab es jeweils drei längere Unterbrechungen, wenn man auf der Erde kein Signal empfangen konnte.

14 der Bilder zeigten Ausschnitte des Planeten. Die Auflösung lag zwischen 50.3 und 3.5 km/Pixel. Die Wissenschaftler wollten mehr Aufnahmen und man programmierte die Aufnahmesequenz so um, dass die Sonde mit den ersten Aufnahmen begann sobald der Mars am Horizont auftauchte, auch wenn diese stark verzerrt waren. Bei der nahen Passage des Planeten am 5.8.1969 folgten nach 133 Tagen Flug weitere 33 Aufnahmen. Die 20 Minuten 26 Sekunden vor der nächsten Begegnung bis 2 Minuten 6 Sekunden nach der nächsten Begegnung gemacht wurden. Die Sonde passierte den Mars auf einem Nord-Süd Kurs und machte vor allem Aufnahmen der Südpolregion. Die maximale Auflösung der Bilder lag bei 300 m (Telekamera) bzw. 3.5 km (Weitwinkelkamera)

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Sonden waren ernüchternd. Nun waren 20% der Marsoberfläche fotografiert, und man sah neben den Kratern die man auf Mariner 4 Bilder fand auch chaotisches Gelände. Die interessanten Formationen des Mars, wie die großen Vulkane der Tharsis Ebene oder das Valles Marineris oder zahlreiche ausgetrocknete Flussläufe, wurden von Mariner 6+7 aber nicht erfasst. Die Sonden machten vor allem Aufnahmen der Südhalbkugel. Zusammen waren es 201 Aufnahmen, davon 59 bei der Passage. Dies waren mehr als die geplanten 191 Aufnahmen.

Der Bodendruck und die Temperaturen konnten genauer bestimmt werden (Mariner 7: 5.3 - 5.9 Millibar mit einem Minimum von 3.5 Millibar in der Hellas Region, Temperaturen von -23.9 bis - 73.8 Grad Celsius), und die Zusammensetzung der Atmosphäre präzisiert werden. Es war nun ausgeschlossen, das es flüssiges Wasser auf dem Mars gab, die Polarkappen mussten sogar aus gefrorenem Kohlendioxid bestehen. Festgestellt wurden als Atmosphärenbestandteile Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, atomarer Wasserstoff und Spuren von molekularem Sauerstoff. Andere Bestanteile waren bis zur Nachweisgrenze (1 Teil pro 1 Million) nicht bestimmbar. Als Nebeneffekt konnte man die Topographie an einigen Stellen aufgrund der Menge des Kohlendioxyds also der "Luftsäule" bestimmen. Als tiefste Struktur sollte sich das Hellas Becken mit -5,5 km herausstellen.

Auf Aufnahmen von Mariner 7 konnte die Größe von Phobos, dem größeren der beiden Marsmonde zu 22.4 × 17.6 km bestimmt werden. Die Fotos, die just eine bzw. zwei Wochen nach Rückkehr der Apollo 11 Astronauten veröffentlicht wurden, trafen so auf eine sensible Öffentlichkeit, deren Bewusstsein wieder die ersten im Weltraum zu sein, gestärkt wurde. Die Fotos zeigten neben vollständig verkaterteren Gebieten auf dem Mars auch kraterfreie und zum ersten mal mit Einbrüchen auch Strukturen die man so nicht vom Mond kannte und die tektonischen Ursprungs sein konnten. Mars hatte die Sonden umgelenkt. Mariner 6 befand sich nun in einer 1,14 x 1,72 AE Bahn (170,5 x 257,3 Millionen km), Mariner 7 in einer 1,11 x 1,70 AE Bahn (166 x 234,5 Millionen km)

Nach der Passage wurden die Sonden weiter betrieben, übermittelten aber keine Messdaten mehr. Am 7.3.1970 wurde mit Mariner 6 ein Experiment zur Bestätigung von Einsteins Relativitätstheorie durchgeführt. Mariner 6 befand sich zu diesem Zeitpunkt von der Erde aus direkt am Sonnenrand. Ein Funksignal sollte durch die Sonnengravitation einen längeren Weg zurücklegen Die Laufzeitdifferenz wurde bestimmt und zu 204 Mikrosekunden bestimmt. Dies stand im Einklang mit der Relativitätstheorie. Entsprechende Experimente wurden auch mit Mariner 6 wiederholt. Im Frühjahr 1971 wurde der Funkkontakt mit beiden Sonden eingestellt.

Die Gesamtkosten für Mariner 6+7 betrugen 128 Millionen Dollar, zuzüglich etwa 20 Millionen Dollar für die beiden Atlas-Centaur Trägerraketen. Die beiden Sonden übermittelten 2100 Millionen Bits an Informationen, mehr als das 200-fache von Mariner 4. Sie waren innerhalb des Marinerprogramms die teuersten Raumsonden. Mariner 8 und 9 waren deutlich preiswerter, da viele Teile von Mariner 6+7 übernommen würden. Im wesentlichen war Mariner 8+9 Mariner 6+7 mit einem Treibstofftank, einem Antrieb und neuen Experimenten.

Links

NSSC Masterkatalog Mariner 6

NSSC Masterkatalog Mariner 7

Mariner 6+7 Image Browser

On Mars: Exploration of the Red Planet

Mariner Mars 69 Press Kit

Artikel zuletzt geändert am 16.9.2017

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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