Hintergrundartikel
Olafs Raumfahrtkalender

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Geschichte und Geschichten aus mehr als 5½ Jahrzehnten Raumfahrt

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Statistik erstellt: 2017-03-29T18:05:28+02:00

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Die Mariner Mars ’64 Missionen

Nach den ersten mehr oder weniger erfolgreichen Raumsonden zur Erkundung des Erdmondes wandten sich die Ingenieure und Wissenschaftler zu Beginn der 1960er Jahre neuen Zielen zu. Zunächst wählten sowohl die sowjetischen Experten wie auch ihre amerikanischen Kollegen die Venus als Ziel für die nächste Raumsondengeneration. Mit Venera 1 hatte die Sowjetunion auch diesmal die Nase vorn, doch brach der Funkkontakt zu der Sonde innerhalb von nur einer Woche nach dem Start ab. Die NASA nahm die Herausforderung an und sah zugleich ihre Chance. Zwar konzipierte man zu jener Zeit eine Serie sehr komplexer und entsprechend leistungsfähiger Raumsonden unter dem Projektnamen „Mariner“. Doch die Umsetzung dieser Pläne (Mariner-​A zur Venus, Mariner-​B zum Mars) würde Jahre dauern und setzte die Verfügbarkeit der Atlas-​Centaur Rakete voraus, deren Entwicklung gerade in einer Krise steckte. Glücklicherweise hatte man parallel mariner-bStudien für eine drastisch abgespeckte Variante unter dem Namen „Mariner-​R“ betrieben. Dieser Entwurf basierte auf den „Ranger“ Mondsonden (daher auch das „R“ im Namen) und konnte mit einer Atlas-​Agena Rakete gestartet werden. Innerhalb von weniger als einem Jahr nach der Genehmigung des Programms waren die beiden ersten Sonden startklar. Nach dem Erfolg von Mariner 2 (Mariner 1 war an einem Problem mit der Trägerrakete gescheitert) orientierten sich die Experten auf ein neues Ziel, den Mars. Auch hier ging die Sowjetunion voran. Doch auch zu der am 01.11.1962 gestarteten Mars 1 Sonde brach der Funkkontakt vorzeitig ab. Das nächste Startfenster wollte nun auch die NASA nutzen. Ende 1962 wurde die Entwicklung der neuen Raumsonde autorisiert. Die mit der Entwicklung verbundenen Herausforderungen waren erheblich. So mußten die Bordsysteme nun nicht mehr 2.500 h (wie bei Mariner 2) durchhalten, sondern sollten 6.000 bis 7.000 Stunden zuverlässig funktionieren. Während die Venus Sonden von einer zunehmend besseren Energieausbeute der Solarzellenflächen im Laufe der Mission profitierten, mußte bei Flügen zum Mars der größere Abstand zur Sonne kompensiert werden. Daher ging man vom „Mariner-​R“ Konzept weg, baute aber auf den mariner_3_or_4_diagram1 Erfahrungen mit den ersten Mariner Sonden auf. Der leichtgewichtige Bus der Sonde wurde neu konzipiert und die Zahl der Solarzellenflächen auf vier erhöht. Ein Triebwerk für eine Kurskorrektur wurde vorgesehen, während Endflächen an den Solarzellenauslegern der Kompensation des Sonnenwind-​Einflusses dienen sollten. Untersucht wurde der Start von zwei identischen Sonden auf unterschiedlichen Bahnen zum Mars, wo für den Sommer 1965 ein Vorbeiflug mit fotografischer Erkundung des Planeten vorgesehen war (ein drittes Exemplar wurde als Reserve zurückgehalten und sollte eventuell das nächste Startfenster nutzen). Weiterhin wurde ein Paket aus sieben Sensoren bzw. Instrumenten zu ergänzenden wissenschaftlichen Untersuchungen aus den Vorschlägen der Wissenschaftler ausgewählt. Eine Sonnenplasma Sonde sollte den Sonnenwind untersuchen, ein Phänomen, dessen Existenz der deutsche Physiker Ludwig Biermann bereits in den 1950er Jahren vorhergesagt hatte und dessen praktische Auswirkungen Mariner 2 1962 zu spüren bekommen hatte. Auf dem Weg zur Venus war diese Sonde nämlich erkennbar aus ihre Bahn abgelenkt worden, was als Beweis für das Wirken des Sonnenwindes gewertet wurde. Dazu kamen ein Magnetometer, das ein mögliches Magnetfeld des Mars erkunden sollte und mehrere Geiger-​Müller-​Zähler sowie Silizium-​Strahlungsdetektoren mariner_3_or_4_diagram2und eine Ionisationskammer. Mit den Strahlungsmeßinstrumenten sollten einerseits die van-​Allen Strahlungsgürtel der Erde weiter erforscht und andererseits nach ähnlichen Strahlungsgürteln am Mars gesucht werden. Die Messungen liefen allerdings auch kontinuierlich während des interplanetaren Fluges. Das galt ebenfalls für das Kosmische-​Strahlen-​Teleskop, dessen drei Siliziumdetektoren mit Oberflächenbarrieren unterschiedlicher Filterwirkung bedeckt waren. Diese Auslegung ermöglichte es, auftreffende Protonen in drei verschiedene Energieklassen aufzuteilen. Schließlich wurde noch ein Detektor für kosmischen Staub mitgeführt, der aus einer dünnen Aluminium-​Platte mit darunterliegenden Sensoren und Mikrofonen bestand. Aus den so gewonnenen Informationen ließ sich die Energie, die Auftreffrichtung und natürlich die Anzahl der Teilchen bestimmen. Für die Mission ausgewählt war auch ein UV-​Photometer zur Untersuchung der Marsatmosphäre. Als allerdings im Februar 1964 die Mondsonde Ranger 6 aufgrund eines Kurzschlusses im Kamerasystem in der Startphase nachhaltig beschädigt wurde, überprüfte man bei allen laufenden Projekten die Instrumente auf eine mögliche Anfälligkeit für einen ähnlichen Defekt. Das UV-​Photometer für das Mariner Mars 64 Projekt war leider unter den gefährdeten Systemen. Da die kurzfristige Flugqualifikation eines überarbeiteten Instruments unmöglich war, mußte man schweren Herzens auf das Instrument verzichten. Damit blieb als wichtigstes Instrument für die Marserkundung die TV-​Kamera. Die basierte auf einer Videocon Röhre in Verbindung mit einem Cassegrain Teleskop von 300 mm Brennweite. Die Auflmariner-4_prepsösung lag bei bescheidenen 200×200 Pixeln. Montiert wurde die Kamera auf einer in zwei Richtungen schwenkbaren Plattform. Vorgesehen war, jeweils ein Bildsequenz von zwei Bildern aufzunehmen, eines durch einen Rotfilter und das andere durch einen Grünfilter. Aus der Geschwindigkeit der Sonde, der Beweglichkeit der Scanplattform und der Belichtungszeit ergab sich, daß sich die Bilder nur mit etwa 100 Pixeln überlappten. Außerdem mußte die Plattform nach jeder Sequenz wieder in die Ausgangslage und –konfiguration zurückversetzt werden, so daß sich kein fortlaufender Filmstreifen ergab, sondern nach jeder Stereo-​Sequenz eine Lücke. Weiter begrenzte die Kapazität des Magnetbandspeichers die Anzahl der Aufnahmen auf ca. 12×2 Bilder. Und die Übertragung aus Marsdistanz dauerte bei jedem einzelnen Bild über 8 Stunden! Trotz der heute bescheiden anmutenden Leistungen der Kamera ist damit klar, wie sehr man damals damit an die Grenzen der verfügbaren Technologie ging.
Wie schon 1962 war auch 1964 der Auftakt zu der planetaren Doppelmission sehr ernüchternd. Schon kurze Zeit nach dem Start von Mariner 3 am 05.11.1964 wurde deutlich, daß nicht alles nach Plan gelaufen war. Die aus „Fiberglas“, also faserverstärktem Kunststoff, gefertigte Nutzlastverkleidung erhitzte sich durch die aerodynamische Reibung zu stark, woraufhin sich Teile der Kunstfasern herauslösten und die Ausleger der Sonde verklebten. Möglicherweise schlug auch das Abwerfen der Nutzlastverkleidung fehl. Jedenfalls ließen sich die Solarzellenausleger von Mariner 3 nicht ausklappen. Der zwei Tage später geplante Start von Mariner 4 wurde daher vorläufig aufgeschoben. Als das Problem verstanden war, blieb nur, eine neue Nutzlastverkleidung aus Metall zu fertigen. Trotz des Einsatzes einer sehr leichtgewichtigen Magnesium-​Legierung reichte die Leistung der Atlas-​Agena D Rakete nun aber nicht mehr für einen Flug zum Mars. So mußte auf ein anderes, leichteres Selbstzerstörungssystem zurückgegriffen werden, während man gleichzeitig die Treibstoffeinspritzung des Agena Triebwerks für mehr Leistung „tunte“. Das reichte gerade aus, um Mariner 4 auch noch zum Ende des Startfensters starten zu können. Denn trotz 24-​Stunden-​Schichten dauerte die Fertigung der neuen Nutzlastverkleidung 17 Tage. Schließlich gelang am 28.11.1964 aber der Start von Mariner 4. Anfängliche Bahnvermessungen zeigten, daß sich die Sonde auf Kurs befand. Doch ohne Probleme sollte der Flug nicht verlaufen. Erste Schwierigkeiten gab es bereits bei der Ausrichtung der Sonde auf den Referenzstern Canopus. Dies verhinderte auch vorläufig die Zündung des Bordtriebwerks zu einer notwendigen Bahnkorrektur.mariner-4_1st_image Schließlich gelang das Manöver am 05.12.1964 aber. Zur Enttäuschung der Wissenschaftler fiel nur einen Tag später ein Bauteil der Plasmasonde aus, woraufhin die Daten des Instruments unbrauchbar wurden. Auch mit anderen Experimenten gab es zunehmend Probleme. Immer wieder traten Probleme mit dem Sternsensor auf, der offenbar von hell leuchtenden Staubpartikeln irritiert wurde. Da man fürchtete, beim Abwerfen der Schutzkappe vor dem Kameraobjektiv eine größere Staubmenge freizusetzen, wurde das Kommando dazu auf den 11.02.1965 vorgezogen. Obwohl man damit eine Schädigung der Optik riskierte. Glücklich erreichte Mariner 4 endlich am 15.07.1965 den Mars. Einschließlich der Kamera waren nun alle noch funktionierenden Experimenten aktiviert. Ab 00:19 UTC wurden schließlich 21 Bilder aufgezeichnet. Die minimale Entfernung zum Mars erreichte dabei 9.846 km. Während die Bildinformationen erst später ausgelesen werden sollten, übertrugen die anderen Experimente ihre Daten in Echtzeit. Ein Magnetfeld des Mars konnte nicht nachgewiesen werden. Dafür wurde ein schwacher Strahlungsgürtel entdeckt. Die Oberflächentemperatur im überflogenen Gebiet wurde mit –100°C bestimmt. Für eine Überraschung sorgte die Auswertung der Daten des Radio-​Okkultationsexperiments. Aus diesem ließ sich der Luftdruck auf dem Boden des Mars mit lediglich 4 mbar bestimmen, ein Bruchteil des bis dahin angenommenen Wertes. Nachdem Mariner 4 den Funkschatten des Mars wieder verlassen hatte, begann die Übertragung der zwischengespeicherten Bildinformationen. Bis die Daten vollständig auf der Erde empfangen worden waren, vergingen volle neun Tage. Das lag an der niedrigen Datenrate von lediglich 8 bps, aber auch an der Verfügbarkeit von lediglich mariner-4_11edrei geeigneten großen Antennen (Goldstone, Johannisburg und Canberra). Obwohl die Aufnahmen lediglich ein Gebiet von etwa 1,5 Mio. km² (entsprechend 1% der Marsoberfläche) zeigten, und dies lediglich mit rund 3 km Auflösung, beeinflußten sie doch das Bild der Menschen von unserem Nachbarplaneten nachhaltig. Statt der berühmten Marskanäle zeigten die Bilder zahlreiche Krater, aber auch detailarme Regionen. Jedenfalls ähnelte der Mars weit mehr dem Erdmond, als bis dahin angenommen. Rund 300 Krater zwischen 5 und 120 km Durchmesser wurden auf den Aufnahmen entdeckt. Allerdings enttäuschte die Qualität der Bilder die Wissenschaftler doch etwas. Erwartet worden waren Aufnahmen auf dem Niveau der erdgebundenen Mondfotografie. Doch litt die Kamera unter außerplanmäßigem Streulichteinfall. Zudem war ein Teil der Aufnahmen überbelichtet. Und dann degradierte die Videocon Röhre nach der Hälfte der Aufnahmen zusehends, so daß immer weniger Details erkennbar waren. Trotz dieser Defizite spornten die Ergebnisse die Wissenschaftler aber an, weitere Missionen zum Mars zu planen. Sowohl die USA als auch dimariner-4_image_presentation_to_lbje Sowjetunion trugen in den folgenden Jahren dazu bei, daß der Mars schon bald dem am besten erkundeten Planeten in unserem Sonnensystem wurde.
Der Flug von Mariner 4 wurde auch nach dem Marsvorbeiflug noch weiter aktiv verfolgt. Zunächst nutzte man die Gelegenheit, alle Bildinformationen mehrfach zu senden, um so mögliche Bildfehler während der Übertragung auszuschließen. Ebenso wurden neue Aufnahmen zur Kalibrierung der Kamera aufgenommen. Der Funkkontakt brach nach einem Problem bei der Antennennachführung am 01.10.1965 um 22:05 UTC ab, wobei die Signale aus der Rekorddistanz von 309 Mio. km eintrafen. Im Herbst 1967, Mariner 4 näherte sich wieder der Erde, konnte der Kontakt wieder hergestellt werden. Empfangen wurden u.a. Daten zu einem Mikrometeoritenschauer, der am 15.09.1967 die Sonde traf und einige Schäden verursachte. Am 07.12.1967 waren die Gasvorräte des Lageregelungssystems aufgebraucht. Als zwischen dem 10. und 11.12.1967 83 Mikrometeoriten einschlugen, begann Mariner 4 allmählich die Ausrichtung der Antenne zur Erde zu verlieren. Daraufhin wurde der Signalempfang am 21.12.1967 eingestellt.