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Der Höhepunkt der bisherigen Mondforschung fand in den späten sechziger Jahren statt, danach herrscht eine lange Pause, nun finden wieder einige Missionen statt. Dieser Verlauf ähnelt der Erforschung des Mars, wo auch Ab Mitte der siebziger Jahr für nahezu zwei Jahrzehnte Pause herrschte. Auch sonst finden wie gemeinsame Elemente wie das Absetzen eines Rovers oder das Bestreben Bodenproben mit unbemannten Sonden zu bergen. Da der gesamte Aufsatz sehr lang ist habe ich ihn der Übersicht halber in zwei Teile aufgeteilt: Dieser Teil 1 behandelt die Geschichte von Luna 1 bis vor den Start von Lunar Orbiter 1 am 10.8.1966. Der zweite Teil die Geschichte bis heute.
Die Flüge zum Mond kann man in 3 Perioden einteilen:
Hier versuchten beide Großmächte als erster eine Sonde am Mond vorbei zu senden oder auf ihr aufzuschlagen zu lassen. Es war ein Wettrennen um Erstleistungen, die Wissenschaft spielte dabei die zweite Geige. In diese Gruppe fallen die Pioneer und Luna 1-3 Sonden sowie das Able Programm
Mit dem Ziel einen Menschen auf dem Mond abzusetzen war gleichzeitig auch eine neue Ära der Erforschung des Mondes eröffnet. Die Missionen die nun zum Mond starteten, hatten die Aufgabe eine bemannte Landung vorzubereiten. Dies waren zum einen die Kartierung ausgewählter Landegebiete in hoher Auflösung, (durch die Luftunruhe können auch größte Teleskope auf dem Mond maximal 800 m große Details abbilden), zum anderen eine unbemannte Landung auf dem Mond, um den Landevorgang zu üben und die Bodeneigenschaften des Mondbodens zu überprüfen (man vermutete Anfang der sechziger Jahre das der Mond mit einer meterdicken Staubschicht überzogen sein könnte, in der Landefahrzeuge versinken könnten). In diese Gruppe fallen die Missionen Ranger, Lunar Orbiter und Luna 4-14. Ranger wurde vorher begonnen, aber mit der Ankündigung Kennedys kamen die Block III Geräte hinzu.
Nach der ersten erfolgreichen Mondlandung ging man neue Missionen anders an. Ziel waren nun das Gewinnen von noch mehr wissenschaftlichen Erkenntnissen über die Geologie des Mondes, die Sowjets versuchten auch erfolgreich unbemannt Mondboden zu gewinnen. In diese Sparte fallen die Mondmissionen der USA nach Lunar Orbiter und Luna 15-24 bei der Sowjetunion.
Um zum Mond zu gelange benötigt man eine Geschwindigkeit von 10.8-11.1 km/s, das ist etwas weniger als für eine Venus Bahn (11.5 km/s oder Marsbahn (11.7-11.9 km/s), aber rund 3 km/s mehr als für einen Erdsatelliten. Dadurch sinkt die Nutzlast auf ein Drittel bis ein Viertel des Wertes für eine niedrige Erdumlaufbahn.
Um in eine Umlaufbahn um den Mond einzuschwenken benötigt man nur 1 km/s. Die Landung auf dem Mond wie der Rückstart zur Erde benötigen etwa 2.5 km/s. Das verringert die Nutzlast einer Landesonde beträchtlich, da man diese Geschwindigkeit nicht wie bei der Venus oder beim Mars aerodynamisch abbauen kann.
Startfenster gibt es zum Mond jeden Tag, wenn man bei vielen Missionen bestimmte Startzeitpunkte bevorzugte, so weil man Landesonden zu Beginn des 14 Tage dauernden Mondtages landen wollte, da man nicht damit rechnete, das sie die Auskühlung während der Mondnacht überleben würden.
Der Mond ist in kurzer Zeit erreichbar. Je Nach Startgeschwindigkeit in 2½-3½ Tagen. Damit war er als Ziel prädestiniert, denn zu Anfang des Weltraumzeitalters rechnete noch keiner damit, Sonden über mehrere Monate betreiben zu können, wie sie für Flüge zu den Planeten benötigt wurden. Der Laie wundert sich oft, warum zahlreiche Raumsonden den Mond um mehrere Tausend Kilometer verfehlten. Der Grund liegt in der Himmelsmechanik. Der Mond ist so weit von der Erde entfernt, dass die Geschwindigkeit der Raumsonde beim Mond sehr gering ist. Die Reisedauer ist daher bei einer Ellipse sehr lang. Schon kleine Geschwindigkeitsunterschiede können bewirken, dass die Sonde entweder viel schneller den Mond erreicht, weil sie sich dann auf einer parabolischen oder hyperbolischen Bahn befindet (zu schnell) oder gar nicht den Mond erreicht.
Hier einige Beispiele:
Es ist klar dass eine Stunde früher ankommen einiges ausmacht, denn der Mond bewegt sich mit etwa 1 km/s auf seiner Bahn, legt in einer Stunde also 3600 km zurück. Wenn eine Raumsonde dann wie Ranger 3 zu schnell ist (46 m/s), dann kommt sie 10 Stunden zu früh an und der Mond ist noch 36000 km von der Position entfernt bei der die Raumsonde die Mondbahn kreuzt. Die ersten Raumsonden hatten keine Möglichkeit den Kurs zu korrigieren.
Zur Nomenklatur von sowjetischen Sonden: "Der Sozialismus siegt!". Nach dieser Maxime dürfte es keine Misserfolge geben und so wurden nur erfolgreich gestartete Sonden benannt. Die anderen erhielten keinen Namen oder wenn sie im Orbit strandeten eine Sputnik oder Kosmos Nummer. Da die Sowjets jedoch immer die Sonden in kleinen Serien bauten habe ich die Sonden nach dem nächsten erfolgreichen Start benannt, zusammen mit einem Buchstaben. Weiterhin wurden die ersten drei Luna Sonden Lunik benannt, die später gestarteten schweren Sonden jedoch Luna, jedoch mit Nummerierung ab 4. Ich habe auf diese Differenzierung verzichtet.
Das geheime Projekt einer MondbombeEnde der fünfziger Jahre hat die amerikanische Luftwaffe offensichtlich erwogen, eine Atombombe von der Stärke der Hiroshima-Bombe auf dem Mond detonieren zu lassen. Die Vereinigten Staaten wollten damals ihren Ruf als hoch technisierte Weltmacht retten, der durch die ständigen Explosionen bei den Starts von Raketen gelitten hatte.
Im Mai 1958 erhielt die Armour Research Foundation in Chicago unter damaliger Leitung von Leonard Reiffel den Auftrag, die Sichtbarkeitsverhältnisse und die Auswirkungen einer solchen von der Luftwaffe ihm gegenüber als hypothetisch bezeichneten Detonation zu untersuchen. Das Geheimprojekt A119 erhielt den Titel ,,A Study of Lunar Research Flights". Die Detonation einer Wasserstoffbombe auf dem Mond hatte die Luftwaffe nicht in Erwägung gezogen, weil für den Transport eine zu starke Rakete notwendig gewesen wäre. Reiffel verpflichtete damals den Astronomen Gerard P. Kuiper als Berater und ließ die Berechnungen von Carl Sagan ausführen, der zu jener Zeit noch Student war.
Die Zwischenberichte zum Projekt A119 wurden vom Mai 1958 bis zum Januar 1959 an das Special Weapons Center der amerikanischen Luftwaffe in Albuquerque/Neumexiko weitergeleitet. Nach dem Oktober 1987 sollen sie vernichtet worden sein. Die Pläne zur Detonation einer Atombombe auf dem Mond wurden aufgegeben, als man in der Führungsriege der Luftwaffe zu der Erkenntnis gelangte, dass die Risiken des Projektes größer seien als der Nutzen. Ganz geheim blieben sie allerdings nicht. Carl Sagan hat sie im März 1959 in einer Bewerbung um ein Stipendium unter dem Stichwort ,,Mögliche Kerndetonationen auf dem Mond" erwähnt.
Nachdem die Sowjets den ersten Satelliten in den Weltraum gebracht hatten wollte man bei
der Erforschung des Mondes Ihnen zuvorkommen. Ein Air Force und Army Team bereiteten parallel den
Start von Mondsonden vor. Pioneer 0,1,2 sollten von der Air Force auf eine Thor Rakete mit den
Oberstufen der Vanguard (Thor-Able) gestartet werden, Pioneer 3+4 von
der Army auf der Juno II. Die Air Force Sonden wogen 38 kg,
wovon 18 kg auf die wissenschaftliche Ausrüstung, darunter eine Fernsehkamera entfielen. Die
Sonden hätten durch ein kleines Raketentriebwerk sogar in eine Mondumlaufbahn einschwenken
können. Weitere Instrumente waren ein Magnetometer, Mikrometeoritendetektor und ein
Strahlungsdetektor. Die Sonden waren 0.8 m lang und 0.7 m im Durchmesser und für eine Arbeitszeit
von 1 Woche ausgelegt.
Doch schon nach 77 Sekunden explodierte die Thor-Able in 17 km Höhe, eine Treibstoffpumpe der ersten Stufe hatte sich festgefressen. Immerhin hatten die Amerikaner vor den Sowjets den ersten Startversuch unternommen. Der gescheiterte Sonde erhielt die Nummer 0 - einzigartig in der Geschichte der Weltraumfahrt. Mehr über die Pioneer Sonden in diesem Aufsatz.
Nach den ersten 3 Satelliten der Sowjetunion konzentrierte sich diese voll auf das nächste Ziel: Den Mond. Ziel war es zuerst nur den Mond zu erreichen. Eine Sonde sollte auf dem Mond aufschlagen. Als Bonbon hatte die Sonde noch Kugeln aus Metall mit den sowjetischen Insignien bei sich, die den Aufprall überleben sollten.
Speziell für diese Sonden wurde eine Interimsversion der Wostok eingesetzt, welche die Sowjets als "Luna" bezeichneten. Die vierstufige Molnija Trägerrakete war noch nicht verfügbar. Man musste sich mit einer dreistufigen Rakete begnügen, die einige Nachteile hatte. Der wichtigste war, das man direkt den Mond anfliegen musste. Später starteten alle Sonden zuerst in eine Parkbahn, wo man nach genauer Bahnvermessung die Stufen erneut zündet und dann die Sonden zum Mond bringt. Bei einem direkten Start wirken sich kleine Fehler in der Geschwindigkeit oder Ausrichtung über die Distanz von 384.000 km zu Abweichungen von einigen Tausend km aus.
Wichtig bei den ersten Sonden war es den USA zuvorzukommen, die zum gleichen Zeitpunkt wesentlich einfachere Sonden planten die an dem Mond vorbei fliegen sollten. Dabei riskierte man auch Starts mit einer nicht ausgereiften Trägerrakete.
So endete die Mission von Luna 1 auch schon nach 92 Sekunden, als die Booster der Rakete auseinanderbrachen. Ursache waren Schwingungen der Booster, die zur Desintegration der Rakete führten. Die Sonde stammte aus einer ganzen Serie, deren Aufbau bei Luna 1 beschrieben wird.
Der zweite Startversuch der Air Force verlief zuerst erfolgreich,
jedoch schaltete sich die zweite Stufe der Rakete vorzeitig ab, so das ein kleines Quäntchen an
Geschwindigkeit fehlte, um den Mond zu erreichen. Die Sonde erreichte eine Gipfelhöhe von 113.854
km und tauchte nach 43 Stunden wieder in die Erdatmosphäre ein. Die Sonde übermittelte jedoch
wertvolle Daten über die Strahlung und Mikrometeoriten. Die Pioneer Sonden starteten wie die
ersten Luna Sonden direkt zum Mond. Beim Start aus einem Erdorbit hätte die Geschwindigkeit
ausgereicht, die Erde zu verlassen.
Schon 3 Wochen später fand der nächste Start einer Luna Sonde statt. Man wollte unbedingt der amerikanischen Pioneer 1 Sonde zuvorkommen, die mit geringerer Geschwindigkeit gestartet war und so etwas länger zum Mond gebraucht hätte. Jedoch führten auch hier nach 104 Sekunden Schwingungen durch die Booster und aerodynamische Belastungen zum Verlust der Rakete.
Der letzte Start der Air Force war mit 39 (40) kg etwas schwerer als die beiden Vorgänger. Doch die dritte Stufe zündete nicht, so erreichte das Gespann nur eine Höhe von 1500 km und tauchte dann wieder in die Erdatmosphäre ein.
Zwei Tage vor dem Start von Pioneer 3 fand der nächste Start statt. Doch durch einen Fehler der Turbopumpe für den Sauerstoff schalteten die Triebwerke des Zentralblockes vorzeitig nach 245 Sekunden ab.
Nun
waren die Army unter der Leitung von Wernher von Braun am Zug. Die vom JPL gebauten Sonden waren
erheblich kleiner als die Pioneer Sonden der Air Force und wogen nur 6 kg, so war nur Platz für
ein Experiment das die komische Strahlung messen sollte. Ein Kameraexperiment, das geplant war
musste aus Gewichtsgründen wegfallen. Die Stromversorgung geschah mittels Batterien. Ziel war es
am Mond vorbei zu fliegen, nicht wie bei den ersten Luna Sonden auf ihm aufzuschlagen.
Der Start geschah wieder von den "Deutschen": Trägerrakete war eine modifizierte Version der Jupiter Trägerrakete, die Juno 2, bei der die Erststufe verlängert war. Der erste Start gelang auch problemlos, jedoch schaltete sich die erste Stufe 3.7 Sekunden zu früh ab, so das 140 m/s an Geschwindigkeit fehlten. Die Sonde erreichte wie Pioneer 1 nur eine Gipfelhöhe von 102.230 km und fiel nach 38 Stunden wieder auf die Erde zurück. Sie entdeckte dabei jedoch einen weiteren Strahlungsgürtel der Erde.
Obgleich die Sonde von der Army entwickelt worden war trug die Trägerrakete zum ersten Mal die Insignien der künftigen Weltraum Organisation der USA: "NASA", die kurz zuvor, am 1.10.1958 gegründet worden war.
Der vierte Startversuch der Luna 1 Sonde glückte. Luna 1 war eine Sonde von sehr einfacher
Bauart. Die 361.3 kg schwere Sonde bestand im wesentlichen aus einem 1.45 m großen kugelförmigen
Behälter, der ähnlich wie bei Sputnik mit Stickstoff gefüllt war und somit eine gleichmäßige
Temperatur behielt. An der Außenseite befanden sich an zwei Auslegern die Antennen und ein
Magnetometer. Weitere Instrumente waren ein Mikrometeoritendetektor und eine Ionenfalle. Die
Instrumente lieferten somit Daten über das Magnetfeld, die solare Strahlung und Teilchen. Die
Stromversorgung erfolgte durch Batterien.
In einer Distanz von 113.000 km wurde zur Bahnverfolgung ein 1 kg schwerer Behälter mit Natrium geöffnet. Dieses verwandelte sich bald in eine ionisierte Wolke, die von der Erde aus gesehen werden konnte. Die Sonde passierte durch ihre hohe Geschwindigkeit schon am Morgen des 4.1.1959 nach 34 Stunden den Mond, allerdings nur in einer Distanz von 5955 km, anstatt aufzuschlagen. Sie wurde jedoch die erste Sonde welche die Erde verlies und die Funkverbindung konnte bis in eine Distanz von 600.000 km aufrecht erhalten werden. Mit auf die gleiche Bahn gelangte die 1110 kg schwere Drittstufe.
Der zweiten Sonde des Von Braun Teams war der gewünschte Erfolg beschieden. Die Sonde erreichte eine Geschwindigkeit von 39.850 km/h und konnte damit das Schwerefeld der Erde verlasen. Durch einen Navigationsfehler hatte die Sonde jedoch eine Abweichung von 4° und passierte den Mond so in 59.600 km Entfernung - doppelt so viel wie beabsichtigt und schwenkte in eine Sonnenumlaufbahn mit 146 / 170 Mill. km Entfernung und 391 Tagen Umlaufszeit ein. Bis zum Erschöpfen der Batterien in 648.000 km Abstand nach 90 Stunden konnte Funkkontakt aufrecht erhalten werden.
Nach dem Erreichen des Mondes war es nun möglich die nächsten Starts sauberer vorzubereiten und die Fehler der Rakete zu beheben. Diese modifizierte Sonde mit einem ähnlichen Aufbau wie Luna 1 beendete ihren Flug schon nach 153 Sekunden, als die Rakete von der Bahn abkam und gesprengt wurde. Ein Kreisel der Trägheitsplattform war ausgefallen. Es wird auch als Startdatum der 16.6.1959 angegeben.
Obgleich in Aufbau Luna 1 sehr ähnlich, war diese Sonde verbessert worden. Auch hier
bestand die Sonde aus einem 1.60 m großen Geräteteil mit 391 kg Masse. Neben den Instrumenten von
Luna 1 konnten nun auch Röntgenstrahlen und schwere Kerne von Helium und Kohlenstoff von der
Sonne nachgewiesen werden, kurz vor Erreichen des Mondes wurde ein RADAR Höhenmesser
aktiviert.
Luna 2 war auch ein seltenes Beispiel ost-westlicher Zusammenarbeit. Die Sonde verfügte nur über Batterien und einen schwachen Sender, der noch dazu an eine Rundstrahl und keine Richtantenne angeschlossen war. Es war unmöglich mit den kleinen Empfangsantennen die damals die UdSSR hatten, Signale aus Monddistanz zu empfangen. So übermittelte man nachdem man ungefähr wusste, das die Sonde auf richtigem Kurs war, die Daten an Jordell Bank, einem englischen Radioteleskop mit der damals weltgrößten Antenne von 76 m Durchmesser, dieses konnte die Signale verfolgen und auch das Ausbleiben durch den Aufschlag dokumentieren.
Die Sonde schlug nach 33.5 Stunden auf dem Mond auf, und erreichte damit das schon mit Luna 1 anvisierte Ziel. Zuvor konnte sie feststellen das der Mond kein oder nur ein schwaches Magnetfeld hatte. Die Bahnvermessung geschah wie bei Luna 1 durch Ausstoßen eines Behälters mit Natrium in 130.000 km Entfernung. Der Aufschlag der mit 1.1 t drei mal so schweren Drittstufe soll von ungarischen Astronomen beobachtet worden sein.
Luna 3 wurde
zuerst in eine stark elliptische Bahn von 47500 × 470.000 km eingeschossen. Am 7.10.1959 machte
die Sonde aus 60.000 km Entfernung einige Hundert Bilder auf 35 mm Film. Danach verringerte sich
der Abstand auf 6200 km und der Mond lenkte die Sonde auf eine nördlichere Bahn um. Danach begann
die Übertragung der Bilder zur Erde. Es gelang zuerst nur die Übertragung von 2 Bildern, später
wurden 17 Bilder aus einem Satz von 29 Bildern als brauchbar gekennzeichnet. Der Rest war
geschwärzt, ein Problem welches auch die ersten US Aufklärungssatelliten noch über Jahre haben
sollten. Veröffentlicht wurden von den 17 Bildern nur 3.
Obgleich die Aufnahmen nur den Schluss zuließen, das die Mondrückseite glatter als die Vorderseite aussah, man aber keine weiteren Details erkennen konnte, war das Unternehmen vor allem propagandistisch ein Erfolg. Am 29.3.1960 verglühte die Sonde wieder, nachdem weitere Vorbeiflüge am Mond die Bahn sukzessive abgesenkt hatten.
Das Pioneer P3
Programm ist in der Raumfahrtgeschichte der USA einzigartig: Kein anderes Programm war so
erfolglos und kein anderes heute so vergessen oder totgeschwiegen. Es gibt heute keinerlei
Informationen über Aufbau der Sonden außer ihrem Ziel: Dem Mond, ihrer Masse und ihren
Startdaten. Das Projekt lief auch unter anderen Namen wie Able oder Atlas Able-V. Es handelte
sich ursprünglich um 2 Venus und zwei Mondorbiter. Nach dem Erfolg von Luna 1 wurden die Venus
Orbiter aber gestrichen und 4 Mondorbiter sollten gebaut werden. Trägerrakete war die Atlas-Able
die auch den Projektnamen vorgab. Es handelte sich um eine Atlas mit den Oberstufen der Vanguard Rakete. Die Sonden waren zwischen 168 und 175 kg beim Start
schwer und sollten im Orbit noch 122 kg wiegen. Nutzlast war eine kleine TV Kamera, die für
Pioneer entwickelt worden war. Dazu kam die Vermessung der Funkwellen um die Masseverteilung im
inneren des Mondes zu bestimmen.
Die 168 kg schwere Pioneer P3 scheiterte schon nach 45 Sekunden als die Nutzlasthülle der Atlas Able Trägerrakete abbrach.
Die nächste 172 kg schwere Sonde schaffte es nicht einmal von der Rampe hinweg: Die Atlas Able explodierte bei einem statischen Test an der Rampe.
Nach dem Erfolg von Luna 3 nahm man sich ein halbes Jahr Zeit, um die Ausrüstung zu verbessern, insbesondere die Qualität der Aufnahmen. Der Start der Sonde scheiterte jedoch an einer zu geringen Geschwindigkeit der dritten Stufe. Sie schaltete zu früh ab, so das die Sonde nach einem Flug von 200.000 km Entfernung wieder auf die Erde zurückfiel.
Schon einen Tag später startete das Ersatzgerät. Doch diesmal ging alles schief. Es zündeten nur 3 der 4 seitwärts angebrachten Zusatzraketen, die Rakete hob erst langsam ab und begann in 150-200 m Höhe, 10 Sekunden nach dem Start ganz außer Kontrolle zu geraten, die Rakete wurde gesprengt, wobei die Zentralstufe in der Nähe der Montagehalle explodierte und dort zu größeren Beschädigungen führte.
Auch die dritte Pioneer P3 Sonde - nun 175 kg schwer - schaffte es nicht ihn einen Orbit. Die zweite Stufe der Atlas, die Able explodierte.
Bei der letzten Pioneer P3 Sonde explodierte die Atlas 70 Sekunden nach dem Start. Fazit: In vier Starts hatte keine Sonde auch nur einen Parkorbit erreicht. Die Sonden wurden nie benannt, noch Details veröffentlicht. Mehr über das Pioneer P Programm in einem eigenen Aufsatz.
Das
Projekt Ranger bestand ursprünglich aus zwei Sondentypen. Die ersten
beiden - Block I genannt - sollten als Ingenieursmodelle das Design und die Bestandteile von
interplanetaren Sonden und Mondsonden testen. Sie hatten noch keine Mondmission zu absolvieren.
Daher ähneln auch die Mariner 1+2 Sonden sehr den Ranger Sonden. Die
Ranger 1 Sonde hatte eine Masse von 306 kg, Die Höhe betrug 152 cm, die Spannweite der beiden
trapezförmigen Solarpanels 520 cm. Sie lieferten auf 1.8 m² Fläche 185 Watt elektrische Leistung.
Die Kommunikation geschah über 1.2 m große Parabolantenne auf 960 MHz mit 0.25 bzw. 3 Watt
Leistung.
Die Nutzlast bestand aus zahlreichen Experimenten die den erdnahen Raum auf Strahlung, Mikrometeoriten, geladenen Teilchen und das Magnetfeld untersuchen sollten. Geplant waren elliptische Bahnen mit einem Apogäum von 1 Million km, also weit über den Mond heraus. Damit hätte auch die neu verwendete Atlas Agena B Trägerrakete ihre Eignung zum Transport von Mond- und Planetensonden bewiesen.
Beim ersten Start allerdings geriet die Agena B Stufe in Rotation und eine Wiederzündung zur Erreichung des elliptischen Orbits war nicht mehr möglich. Die Sonde verblieb in einem 179 x 449 km Orbit Nach 7 Tagen trat die Sonde wieder in die Erdatmosphäre ein und verglühte. Schon vorher war sie wegen eines defekten Sonnensensors ausgefallen.
Auch die zweite Block I Ranger Sonde erlitt dasselbe Schicksal wie ihre Vorgängerin. Anstatt einen Orbit von 820.000 km Erdferne zu erreichen beschränkte sich der Orbit auf bescheidene 150 × 330 km Höhe, da auch hier ein fehlerhafter Roll-Gyro die Wiederzündung der Agena B Oberstufe verhinderte. Der niedrige Erdorbit war nur 2 Tage stabil, dann verglühte die Sonde wieder.
Dies war
die erste Sonde der zweiten Serie von Ranger Sonden, Block II genannt. Diese sollten nun zum Mond
fliegen und hatten dafür folgende Ausrüstung an Bord: Eine einfache Kamera die zirka 100 Bilder
vom Anflug liefern sollte, eine Instrumentenkapsel aus Balsaholz und einem Seismometer, die mit
einem Feststofftriebwerk auf 490 m/s abgebremst werden sollte und dann auf dem Mond landen, einem
Bodenabstandsradar und ein Messgeräte für Gammastrahlung.
Der geplante Flugverlauf war so, das die Sonde auf Mondkurs gehen sollte, 8 Sekunden vor dem Auftreffen sollte in 21 km Höhe die Kapsel abgetrennt und durch ein 150 kg schweres Feststofftriebwerk abgebremst werden, und dann ungebremst aufschlagen. Die eigentliche Sonde sollte vorher Bilder vom Mond machen und mit 3 Watt zur Erde senden.
Die 327 kg schwere Ranger 3 Sonde erhielt aber beim Start eine um 46 m/s zu hohe Geschwindigkeit und verpasste so den Mond trotz eines Korrekturmanövers um 36.800 km. Zwar konnte man die Kamera in 50.000 km auf den Mond ausrichten, jedoch war die Geometrie ungünstig und die Sendeantenne durch einen Ausfall des Zeitgebers und der Steuerung zeigte nicht zur Erde, so das keine Bilder empfangen werden konnten. Eine Möglichkeit zur Speicherung von Bildern war nicht vorgesehen, da diese erst wenige Minuten vor dem Aufschlag gemacht werden sollten.
Auch die nächste Ranger Sonde konnte ihre Mission nicht erfüllen. Schon 13 Minuten nach erreichen der Mondflugbahn ging die Kommunikation durch einen Ausfall des Zeitgebers (analog Ranger 4) verloren und konnte nicht wiederhergestellt werden. Die Solarpanels blieben eingefahren und man konnte den Bordsender noch 9 Stunden lang empfangen, danach bis zum Aufschlag auf dem Mond am 26.4.1962 den Sender der Instrumentenkapsel. Der einzige Erfolg des 327 kg schweren Ranger 4 war das er eine korrekte Bahn erreicht hatte und 3 Jahre nach Luna 2 auf dem Mond einschlug.
Ranger 5 (18.10.1962)Auch die letzte der Block II Sonden konnte ihre Mission nicht erfüllen. Kurz nach dem Start ging die Sonde verloren, während einige Quellen von einem Verlust der Kommunikation sprechen, wird von anderen Quellen ein Stromausfall durch Kurzschluss evt. durch Strahlungsstürme angegeben. Eine Kurskorrektur war nicht möglich und die 340 kg schwere Sonde passierte den Mond in 725 km Entfernung und ist wahrscheinlich auf der Mondrückseite eingeschlagen. Inzwischen war allerdings das Apollo Projekt gestartet und der Bau von 4 weiteren Ranger Sonden der Block III Serie beschlossen.
Nach einer dreijährigen Pause begann die zweite Phase der sowjetischen Monderforschung. Dies wurde deutlich in den veränderten Namen: Die Sonden hießen nun "Luna" anstatt "Lunik" wie bei den ersten 3 Sonden. Auch wurde mit der Molnija Trägerrakete nun eine vierstufige Rakete eingesetzt, die mit 1600 kg die vierfache Masse der Luna Trägerrakete zum Mond transportieren konnte - durch eine große dritte und eine verbesserte vierte Stufe. Damit war auch das Flugprofil anders: Anstatt direkt zum Mond zu fliegen erreichten die Sonden erst eine niedrige Parkbahn in zirka 150-160 km Höhe und dort wurde dann die vierte Stufe gezündet, welche die Sonde zum Mond beförderte.
Die Sonde erreichte aber nur eine Parkbahn in 151 km Höhe, die Zündung des Block L misslang, so wurde die Sonde in "Sputnik 25" umbenannt und verglühte einen Tag später.
Die Ursache des Fehlstarts (und anderer im Mars- und Venera Programm) war ein Konstruktionsfehler im Steuersystem I-100 von 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 1965 konnte der Fehler gefunden und eliminiert werden.
Über die
Mission von Luna 4 gibt es unterschiedliche Meinungen. Offiziell firmiert die Sonde als
Testflugkörper für zukünftige Landungen. (Ohne aber eine Landung selbst zu versuchen). Im Westen
wird aber davon ausgegangen, das man eine Landung auf dem Mond versuchen wollte, diesen jedoch
durch Fehler bei den Navigation um 8336.2 km verfehlte. Die 1442 kg schwere Sonde gelang so in
einen exzentrischen Erdorbit.
Für eine Mondlandungstest wäre ein Vorbeiflug am Mond relativ sinnlos gewesen, denn wie sollte man da die Landetriebwerke, Abstandsradar etc. testen? Die Sonde, die zuerst in einen 89.801 × 698.455 km Orbit gelangte, wurde Ende 1963 durch Störungen durch den Mond in eine Sonnenumlaufbahn umgelenkt. Die abgebildete Sonde ist Luna 9, es ist jedoch davon auszugehen, das alle Sonden in etwa den gleichen Aufbau hatten, da die Startmassen sehr ähnlich waren.
Nachdem
bisher alle 5 erfolgten Ranger Flüge der Serien I+II erfolglos waren ging man bei der dritten
Serie die Sache anders an. Zuerst einmal wurden alle System einem technischen Check unterzogen
und auf Redundanz geachtet - für jedes lebenswichtige System gab es ein Ersatzsystem, eine
Technik die seither Standard ist. Zum anderen war nun das Ziel ein anderes. Nun galt es nicht
mehr eine 25 kg schwere Landekapsel auf dem Mond weich landen zu lassen sondern Nahaufnahmen des
Mondes zu gewinnen, die Details unterhalb der von der Erde aus erreichbaren Größenordnung (1 km)
zeigten.
Jede der Block III Sonden hatte dazu 6 Kameras im Gewicht von 26.7 kg an Bord. 2 Kameras waren Weitwinkelkameras mit 25 mm Objektiven und Gesichtsfeldern von 6.2-8.4 Grad, die anderen vier Kameras Telekameras mit 75 mm Brennweite und Gesichtsfeldern von 2.1 Grad. Die Kameras konnten 300 Zeilen (Telekamera) bzw. 1150 Zeilen (Weitwinkel) auflösen und lieferten alle 0.2 Sekunden (Telekamera) bzw. 2.5 sec ein Bild liefern.
Damit diese für die damalige Zeit enorme Datenmenge (pro Telekamera 3.6 Megabaud) zur Erde gesandt werden konnte waren zwei Sender mit 60 Watt Leistung nötig und eine bessere Stromversorgung, so das die Ranger 6-9 Sonden trotz kleinerer Nutzlast mit 365-370 kg schwerer als ihre Vorgänger waren.
Doch auch Ranger 6 schien zuerst seinen Vorgängern treu zu bleiben - Nach dem erfolgreichen Einschuss in eine Mondbahn sollten 15 min vor dem zerschellen in 2100 km Höhe die Kameras aktiviert werden - doch nichts tat sich. Wahrscheinlich hatte eine Lichtbogenentladung noch während des Starts, die Kameras durch Kurzschluss zerstört.
Nach 290 Sekunden (Zündung der dritten Stufe) erreichte die Sauerstoffpumpe nicht ihre volle Leistung, als Folge davon, fiel das Triebwerk nach 486 Sekunden vorzeitig aus und Oberstufe und Luna Sonde erreichten keinen Orbit.
Nach 340 sec versagte das Navigationssystem der Rakete und die dritte Stufe wurde abgeschaltet. Nutzlast und vierte Stufe erreichten keinen Orbit.
Unbestätigter Luna Start.
Mit dem siebten Start war zum ersten mal das 252 Millionen USD teure Ranger Programm erfolgreich. 14 Minuten vor dem Aufschlag in 2068 km Höhe sprangen die Kameras an und lieferten bis zum Aufschlag 4316 Bilder. Die letzten aus einer Höhe von wenigen Hundert Metern mit einer Auflösung im Bereich von 40 cm. Die Sonde schlug 12.4 km vom Zielgebiet auf.
Die nächste Ranger Sonde wurde bei flacherem Sonnenstand gestartet, dies erlaubte es nicht nur aus größerer Höhe Bilder zu gewinnen, sondern diese waren kontrastreicher und man konnte auf den letzten Bildern auch den Stereoeffekt durch die verschiedene Position der Kameras ausnutzen. In den letzten 21 Minuten des Fluges lieferte Ranger 8 insgesamt 7317 Bilder, zugleich wurde die Empfindlichkeit der Kameras gesteigert und die Bilder so detailreicher. Die Abweichung vom geplanten Aufschlagsziel war mit 6,5 km nun nur noch halb so groß wie bei Ranger 7.
Der Block L, die vierte Stufe der Molnija zündete nicht und die Sonde verblieb in einem 195 × 241 km Erdorbit. Sie wurde in Kosmos 60 umbenannt. Die Sonde verglühte am 17.3.1965. Die Masse wurde mit 6530 kg angegeben, (mit Oberstufe Block L). Woraus man eine Sondenmasse von zirka 1430 kg errechnen kann. Eine spätere Untersuchung ergab einen Kurzschluss in dem Inverter des I-100 Steuerungssystems von Block L.
Die letzte Ranger Sonde lieferte mit 5814 Aufnahmen zwar weniger Bilder, jedoch war die Mission vor allem in Hinblick auf die Genauigkeit der Bahn ein Erfolg: Nur 4,8 km vom Zielgebiet entfernt schlug die Sonde auf. Damit war auch klar, das man die nötige Präzision für eine bemannte Landung hatte. Das Vertrauen in den Erfolg der Mission war so groß, das man erstmals die letzten 100 Aufnahmen life übers Fernsehen übertrug. Damit hatten die Amerikaner ihr Ranger Programm zum Schloss doch noch erfolgreich abgeschlossen.
Für diesen Flug hatte man nach zahlreichen Fehlstarts, die ursächlich auf das Steuerungssystem I-100 von Block L zurückzuführen dieses umkonstruiert und statte ab diesem Flug auch die Raumsonden mit einem eigenen Steuersystem aus, dass bei Ausfall von Block L die Steuerung der Stufe übernehmen konnte. Doch zu einem Test kam es bei diesem Flug nicht: Es gab einen Leck im Stickstofftank, der den Tankdruck für den Sauerstofftank erzeugte. Es gelang daher nicht die dritte Stufe unter Druck zu setzen und zu zünden. Dritte und vierte Stufe verglühten mit der Raumsonde im Pazifik.
Beim nächsten erfolgreichen Start nach Luna 4 hatte man hinzugelernt und eine Kurskorrektur auf dem Weg zum Mond mit eingeplant. Diese gelang, jedoch versagte das Landetriebwerk, so das die Sonde am 12.5.1965 im Mare Nubium hart aufschlug. Die Masse der Sonde wurde 1475 kg angegeben. Die Ursache ? Nun auch Luna 5 hatte das Steuersystem I-100 von Block L übernommen. Ein Gyroskop lieferte falsche Lageinformationen und die Sonde rotierte rasch um die eigene Achse, so war eine Zündung des Landetriebwerks nicht möglich.
Die Sonden dürften innerhalb des Luna 4-9 Programms verbessert worden, jedoch nicht gravierend, dazu waren die Startabstände zu kurz. Weiterhin erstaunlich ist das die Sonden so klein waren: Bei einer Startmasse von 1500 kg landeten nur 100 kg auf dem Mond, den größten Teil (zirka 1200 kg) machte die Antriebs und Kontrollsektion aus.
Mit Luna 6 blieben Fehlstarts aufgrund Versagens der Startrakete aus, trotzdem erreichte die Sonde ihr Ziel nicht. Man hatte das Landetriebwerk der 1442 kg schweren Sonde verbessert, doch das Kursmanöver scheiterte durch eine falsche Ausrichtung der Sonde und führte zu einer vergrößerten anstatt verringerten Monddistanz. Die Sonde passierte den Mond am 11.6.1965 in 159.612 km Entfernung. Urachse war wie man später feststellte "menschliches Versagen". Ein falsches Kommando verhinderte das rechtzeitige Abschalten des Kurskorrekturtriebwerks. Bis zu einer Entfernung von 600.000 km konnte man Kontakt mit der Sonde aufrecht erhalten.
Das russische
Zond Programm (im englischen Sprachgebrauch Sond) bestand aus unterschiedlichen Sonden. Sond
1,3,4 hatten die Aufgabe den interplanetaren Raum zu erforschen, Sond 5-8 waren Testfahrzeuge für
eine bemannte Mondlandung. Sond 3 ist eine Ausnahme. Geplant war ein Start zum Mars, analog ihrer
Schwestersonde. Unbekannte Gründe verzögerten den Start um 7
Monate, so das die Sonde nicht den Mars erreichen konnte. Also machte man aus der Not eine Tugend
und lenkte die Sonde am Mond vorbei. Sond 3 hatte eine 106 mm Kamera an Bord und belichtete damit
Film, der wie bei Lunar Orbiter an Bord entwickelt wurde. Weitere Instrumente waren ein
Magnetometer, ein UV und IR Spektrograph (beim Mond mangels Atmosphäre recht sinnlos),
Strahlungs-, Mikrometeoritendetektor und ein Radioteleskop, weiterhin wurde ein Ionenantrieb
getestet.
Die 960 kg schwere Sonde passierte nach 33 Stunden Flug am 20.7.1965 den Mond in 9200 km Entfernung. Während 68 min wurden 25 Bilder aus einer Entfernung von 11570-9960 km Entfernung gemacht, die 19 Millionen km² Fläche abdeckten. (Oberfläche des Mondes 38 Millionen km²). Die Bilder von guter Qualität wurden aus 2.2 und 31.5 Millionen km Entfernung zur Erde übermittelt, und noch aus Mars Entfernung wurden wissenschaftliche Daten empfangen. Mehr über das Sond / Zond Programm in einem eigenen Aufsatz.
Auch die Sonde Luna 7 erlitt dasselbe Schicksal wie die Luna 5 Sonde, man verlor die Lageregelung kurz vor der Landung und als man sie wiederherstellte, hatte man schon viel Höhe verloren. Das Landetriebwerk schaltete sich zu spät ein und die Sonde traf am 7.10.1965 mit 70 km/h auf dem Mond auf. Die Masse der Sonde überschritt nun mit 1506 kg zum ersten Mal die 1500 kg Marke.
Auch die Luna 8 Sonde zerschellte am 6.12.1965 erneut im Meer der Stürme. Die Sowjetunion teilte aber mit das die Experimente, die Orientierung an den Sternen und die Bahnverfolgung und Navigation erfolgreich gearbeitet hatten. Die Sondenmasse war wiederum mit 1552 kg angestiegen. Ursache für den Verlust war eine Klammer : Als sich die Air Bags der Sonde aufblähten stach eine Klammer ein Loch in einen Air Bag und die ausströmenden Gase bewirkten eine Drehung um 12 Grad pro Sekunde um die eigene Achse. Die Sonde konnte kurzzeitig die Lage wiederherstellen und zündete für 9 Sekunden das Landetriebwerk. Danach ging die Lageregelung wieder verloren und das Triebwerk wurde automatisch abgeschaltet. So zerschellte die Sonde mit hoher Geschwindigkeit auf der Oberfläche.
Die
1583 kg schwere Luna 9 sollte nun erstmals weich auf dem Mond landen. Nach einem
Kurskorrekturmanöver am 1.2 begann in 8300 km Entfernung zum Mond die Ausrichtung, in 75 km Höhe
wurde das Bremstriebwerk gezündet und die Sonde setzte am 3.2.1966 weich im Meer der Stürme auf.
Die 100 kg schwere Landesonde klappte 4 Schutzdeckel auf und übermittelte in den folgenden Tagen
4 Panoramen bei einem Sonnenwinkel von 7,14,27 und 41°. Die Aufnahmen hatten eine Auflösung von
1.5-2 cm in 1.5 m Entfernung. Nach 4 Tagen waren die Batterien erschöpft und die Mission beendet.
Insgesamt 27 Aufnahmen wurden zur Erde übertragen.
Wichtigstes Ergebnis: die Mondoberfläche ist fest (man befürchtete damals, das die Oberfläche mit einer meterdicken Staubschicht bedeckt sein würde die eine Landung unmöglich machen würde).
Nach Luna 9 stellten die Sowjets die Mondlandungen vorerst ein, schlussendlich ging es nur um eine Ersttat. Bedenkt man wie viel dieses Programm gekostet haben muss einschließlich der Fehlschläge und wie wenig man an Ergebnissen gewann (nur eine kleine Sonde mit wenigen Tagen Lebenszeit und einer kleinen Instrumentierung), so ist klar das es vor allem um einen propagandistischen Erfolg ging.
Fast zu einem internationalen Eklat kam es durch Jordell Bank. Seit dem die Sowjets bei Luna 2 die Bahndaten an Jordell Bank telegrafierten hatten diese jede Mission verfolgt. Die Signale von Luna 9 wurden auch empfangen. Zu ihrer Überraschung waren es keine Telemetriesignale sondern Bildfunksignale die damals zur Übertragung von Fotos benutzt wurden. Die Daily Express stellte einen Empfangsapparat zur Verfügung, und so kam es, das die Bilder von Luna 9 einen Tag vor den Russen durch die Engländer veröffentlich wurden.... Dies löste Vorwürfe wie das "Klauen" der Bilder seitens der UdSSR aus.
Durch ein Versagen des Kontrollsystems von Block L strandete die Sonde in einem 168 × 180 km Erdorbit. Wie schon früher verlor man die Lageregelung und konnte so die Oberstufe nicht zünden. Die Sonde verglühte am 3.3.1966. Geplant war ein Mondorbiter wie Luna 10.
An Luna 10
zeigte sich schon die unterschiedliche Sondephilosophie der Sowjets und der Amerikaner: Während
diese für die Landung und den Orbit zwei unterschiedliche Sondentypen entwickelten war es bei den
Sowjets nur ein gemeinsamer Bus, der eine unterschiedliche Nutzlast trug - Im Falle von Luna 10
anstatt einer 100 kg schweren Landesonde einen 245 kg schweren Orbiter. Die höhere Nutzlast war
möglich da nur 1250 m/s Geschwindigkeit abgebremst werden mussten anstatt 2500 m/s bei einer
Landung. Trotzdem ist der Orbiter nicht viel schwerer als der Luna Orbiter, der beim Start nur
ein Viertel des Gewichts von Luna 10 (1597 kg) wog
Luna 10 trat am 3.4.1966 in einen Orbit ein, der zuerst eine Bahn von 350 × 1071 km bei einer Neigung von 72 Grad hatte. Der Orbiter war nur batteriebetrieben und hatte daher keine sehr lange Lebensdauer. Er arbeitete bis zum 30.5.1966 und übermittelte in 460 Orbits 219 Übertragungen, darunter das Abspielen der Internationale zum XXIII Parteitag der KPdSU - die Bilder von Breschnew und den Delegierten die den Klängen aus dem Mondorbit lauschten, gingen um die Welt. Was allerdings keiner wusste : Die Musik kam keineswegs life vom Mond sondern wurde am Abend vorher zur Erde überspielt. Techniker entdeckten beim Abhören des Magnetbandes, dass die vorprogrammierten Wechsel der Sendefrequenz falsch war und ein Ton fehlte. Dieser wurde von Hand ergänzt und so manipulierte Magnetband dem Auditorium vorgespielt.
Damit war es den Sowjets wieder einmal gelungen eine raumfahrttechnische Erstleistung zu vollbringen. Das Kamerasystem an Bord der Sonde lies sich allerdings nicht in Betrieb nehmen.
Wissenschaftliche Instrumente waren ein Gammastrahlenspektrometer, ein Magnetometer, ein Staubdetektor, Messungen der Kosmischen Strahlung und der IR Strahlung des Mondes. Man entdeckte auch das die Bahn der Sonde um den Mond gravitativ gestört wurde.
IMP D / Explorer 33 (1.7.1966)Das Explorer Programm bestand aus einer Reihe von Satelliten die das Magnetfeld, die Ionosphäre der Erde und die Wechselwirkung mit der Sonne und dem Mond untersuchten. Innerhalb der Reihe IMP (Interplanetary Magnetosphere Explorer) wurden auch zwei Satelliten mit einer Delta E in einen Mondorbit gestartet.
Bei Explorer 33 ging dies nicht, der 93 kg schwere Satellit erreichte durch zuviel Geschwindigkeit nur eine Erdbahn von 30,550 × 449,174 km. Geplant war ein Mondorbit von 1300 × 6300 km Höhe. Darüber hinaus gab es Probleme mit den Experimenten, von denen 2 bald ausfielen. Bis zum 14.1.1970 arbeitete die Sonde ohne Probleme, danach fiel sie für immer längere Zeiträume aus. Der letzte Kontakt kam am 21.9.1971 zustande. IMP- D sollte auch eine Hilfe beim Apollo Programm sein und bei Sonneneruptionen eine rechtzeitige Vorwarnung ermöglichen.
Die experimentelle Ausrüstung bestand aus zwei Experimenten die Elektronen und Protonen bestimmen sollten und auch vor Eruptionen warnen sollten (10 dieser Ereignisse wurden während der Mission registriert), zwei Magnetometern und einem Experiment welches thermische Teilchen mit niedriger Energie bestimmte.
Mehr über IMP D + E in einem eigenen Artikel. Und nun geht es weiter zu den Raumsonden ab dem 1.8.1966, beginnend mit Lunar Orbiter 1.
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.
Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.
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