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Olafs Raumfahrtkalender

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Geschichte und Geschichten aus sechs Jahrzehnten Raumfahrt

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Statistik erstellt: 2018-08-15T22:01:54+02:00

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Luna 16 — Robotermission zum Mond

luna-16_ascendAuch nach der Niederlage im Wettlauf um die erste bemannte Mondlandung setzte die Sowjetunion zunächst ihr scheinbar gut strukturiertes unbemanntes Programm zur Erkundung des Erdtrabanten fort. Bereits 1959 waren ihr drei spektakuläre Mondmissionen gelungen. Luna 1 verfehlte im Januar noch den Mond, kam ihm aber so nahe, wie keine andere sowjetische oder amerikanische Sonde zuvor. Im September 1959 dann der erste unstrittige Erfolg: Luna 2 schlug wie geplant auf dem Mond auf. Und weniger als einen Monat darauf war die Sensation perfekt, als Luna 3 die ersten Bilder von der erdabgewandten Seite des Mondes übertrug. Es folgte eine dreijährige Pause, doch dann ging es mit dem nächsten anspruchsvollen Ziel weiter. Noch vor den USA galt es, die erste (semi-)weiche Mondlandung zu erzielen. Von der Oberfläche des Mondes sollten dann die ersten Mondpanoramen, Strahlungsmeßwerte und Informationen zur Beschaffenheit des Mondbodens übertragen werden. Nach einer frustrierenden Serie von Fehlstarts, Mißgeschicken und Defekten landete am 03.02.1966 Luna 9 tatsächlich intakt auf dem Mond. Und dies, was aus sowjetischer Sicht besonders bedeutsam war, einige Monate vor der NASA Sonde Surveyor 1. Diesen Vorsprung konnte man auch beim Start des ersten künstlichen Mondsatelliten (Luna 10) halten. Doch bereits jetzt begann sich, unbemerkt von ausländischen Beobachtern, die strukturelle Krise des sowjetischen Mondprogramms abzuzeichnen. Es war, wie ein Großteil des sowjetischen Raumfahrtprogramms insgesamt, viel zu sehr auf propagandistische Erstleistungen orientiert. Statt auf diesen durchaus auch international anerkannten Erfolgen aufzubauen, konzentrierte man sich zu sehr auf die nächste „sozialistische Großtat“. Ganz anders die USA. Waren die luna-16_reentryfrühen Pioneer Sonden noch stark vom Wunsch geprägt gewesen, der Sowjetunion in der Propagandaschlacht etwas entgegenzusetzen, änderte sich das bereits mit dem Ranger Programm. Dieses frühe NASA Projekt lieferte wertvolle Meßwerte aus dem Mondumfeld und hochauflösende Bilder von der Mondoberfläche. Und mit dem kombinierten Surveyor– und Lunar Orbiter-​Programm wurde systematisch die Erkundung des Mondes im Hinblick auf die beschlossenen bemannte Mondlandung betrieben. Zwar setzte auch die Sowjetunion das Luna-​Programm mit weiteren Orbitern und Landern fort. Doch mit vergleichsweise wenigen und technisch unterlegenen Sonden. Schlimmer noch, einige Funktionäre sahen das Luna Programm inzwischen sogar als Ressourcen­verschwendung im Hinblick auf die geplanten bemannten L1 und L3 Mondprogramme an.
Anfang 1965 erlangte das ehemalige OKB-​301, das nach dem Tod seines Generalkonstrukteurs im Jahr 1960 als Filiale dem OKB-​52 von Wladimir N. Tschelomei zugeschlagen worden war, auf Betreiben von Sergej P. Koroljow als OKB S. A. Lawotschkin wieder seine Eigenständigkeit. Das OKB-​1, das zu jener Zeit mit seinen zahllosen Raketen– und Raumfahrtprogrammen hoffnungslos überlastet war, lagerte damals einige seiner Projekte an andere Konstruktionsbüros und eigenständige Filialen aus. Georgi N. Babakin, ehemals einer der Stellvertreter Koroljows im OKB-​1, nun Leiter des OKB S. A. Lawotschkin, wurde die Verantwortung für die laufenden Raumsondenprogramme übertragen. Darunter das Projekt Je-​8 (E-​8) für einen schweren Mondlander. Dieser sollte u.a. als Abstiegsstufe für ein Fahrzeug dienen, das die Mobilität der auf dem Mond landenden Kosmonauten erhöhen sollte. Denn die sowjetische N1-​L3 11A52 Rakete war im Gegensatz zu ihrem US Pendant Saturn V nicht in der Lage, mit einem Start die gesamte Ausrüstung für eine bemannte Mondlandemission zu transportieren. Die Besatzung mußte auf zwei Kosmonauten beschränkt werden, von denen lediglich einer landen sollte. Da auch auf die sonst übliche Redundanz bei zahlreichen lebenswichtigen Systemen des Landers verzichtet werden mußte, verfiel man auf die Idee, unbemannt einen Reserve-​Lander und ein Mondfahrzeug, um zu diesem zu gelangen, in der Nähe der Landestelle der bemannten Mission abzusetzen. Allerdings wurde jede einzelne bemannte Mondmission damit derart komplex und kostspielig, daß nicht davon auszugehen ist, daß dieses Konzept jemals tatsächlich umgesetzt worden wäre. Doch das Je-​8 Projekt bildete die Basis für die Entwicklung der berühmten „Lunochod“. Weniger bekannt und doch bis heute wegweisend sowie auch nach vier Jahrzehnten noch nicht wiederholt, sind die robotischen Bodenprobenentnahmen durch Luna Raumsonden vom Je-​85 Design. Dabei wurde das Je-​8 Programm von Anbeginn an teils heftig kritisiert, u.a. auch, weil es zum Start auf die UR-​500K (Proton) Rakete setzte, die für das L1 Programm zur bemannten Mondumrundung gleichfalls dringend benötigt wurde.
Die Landestufe der Je-​8 Sonden verfügte über zwei Triebwerke. Das regelbare KTDU-​417 Flüssigkeitstriebwerk diente den Kurskorrekturen auf dem Weg zum Mond, besorgte das Einbremsen am Mond und leitete das Retromanöver zum Abstieg zur Oberfläche ein. Es arbeitete mit Stickstoff­tetroxid und UDMH, die Treibstoffkomponenten wurden von einer Turbopumpe gefördert. Den kontrollierten Abstieg zur Oberfläche übernahm dann das daran gekoppelte KTDU-​417B Zweikammer-​Triebwerk. Sein Schub und der spezifische Impuls waren deutlich niedriger. Die Treibstoffe wurden aus denselben Tanks gefördert, wie beim KTDU-​417. Strukturell bestand die Landestufe vor allem aus den vier kugelförmigen Treibstofftanks, die über Streben miteinander verbunden waren. Eine zentrale toroide Gerätesektion nahm die Kreiselplattform, optische Sensoren, das Telemetriesystem, ein Programmschaltwerk, den Radarhöhenmesser, einen Geschwindigkeitsmesser, Batterien und das Temperatur-​Regelungssystem auf. Auch die wissenschaftlichen Instrumente waren in dem Container untergebracht. An der Landestufe war auch das dreibeinige Landegestell angebracht, sowie natürlich das Probenentnahmegestell. Der etwa 5 bis 6 m lange Ausleger wurde auf den Mondboden abgesenkt. Aus dem Bohrkopf wurde ein 26 mm Hohlbohrer in den Mondboden getrieben. Die maximal erreichbare Tiefe betrug dabei zunächst etwa 38 cm. Der Bohrkern wurde in einen flexiblen Schlauch überführt, der zunächst im Bohrkopf aufgerollt wurde. Nach Abschluß der Probenentnahme schwenkte der Arm zurück, drehte den Kopf um 180° und überführte die Probe in die kugelförmige 45 cm Rückkehrsektion, die danach versiegelt wurde. Auch die außen am Bohrer anhaftenden Partikel wurden mit aufgenommen. Die Rückstartstufe wurde von drei kugelförmigen Treibstofftanks für das Stickstoff­tetroxid und UDMH gebildet, die druckgasgefördert das KRD-​61 Triebwerk speisten. Auf den Tanks ruhte eine zylindrische Gerätesektion, an deren Spitze die Landekapsel saß. Vor dem Rückstart wurde die Sonde mittels ihrer höhenverstellbaren Landebeine in die Waagerechte gebracht.
luna-16_trajectoryNicht zuletzt aufgrund der Unzuverlässigkeit der Proton-​K Rakete scheiterte Ende der 1960er Jahre der verzweifelte Versuch, wenigstens mit einer bemannten Mondumrundung den USA zuvorzukommen. Und auch das Je-​8 Lunochod Programm begann im Februar 1969 mit einem Fehlstart. Anfang Juni 1969 wurde dann per Dekret der weitere Fortgang des sowjetischen Mondprogramms festgelegt. Bemannte Missionen im Rahmen des L1 Programms wurden angesichts der Aussichtslosigkeit, nach Apollo 8 daraus noch einen Propagandaerfolg zu generieren, ganz aufgegeben. Das Schicksal des L3 Programms ließ man offen, doch war man klar noch weit von bemannten Flügen zum Mond entfernt. Stattdessen sollte eine Serie von Je-​8 Mondlandern die neue offiziell verkündete Linie unterstreichen, wonach man nie im Wettstreit mit den USA um die erste bemannte Mondlandung gestanden hatte und vielmehr auf unbemannte Missionen setzte, die Gleiches zu leisten vermochten. Fünf Lander sollten auf dem Mond Bodenproben entnehmen und zur Analyse auf die Erde zurückbringen, zwei weitere Mondrover absetzen. Doch auch der Start der ersten Probenentnahmemission am 14.06.1969 scheiterte. Diesmal funktionierten die ersten drei Stufen der Proton-​Rakete fehlerlos, die Fluchtstufe (Block-​D) versagte jedoch. Damit war auch die letzte Chance vertan, aus eigener Kraft den Glanz der Apollo 11 Mission zu schmälern. Denn die Bahnmechanik gab vor, daß der nächste Start erst in vier Wochen erfolgen konnte. Und sollte Apollo 11 seinen bereits bekanntgegebenen Starttermin 16.07.1969 einhalten, würden die Gesteinsproben von Luna 15 bestenfalls erst einige Stunden nach Apollo 11 auf der Erde eintreffen. Daran konnte nur noch ein Fehlschlag der Apollo Mission etwas ändern. Und den wünschte sich bei aller Rivalität ernsthaft niemand. Im Bewußtsein dieser Situation wurde die nächste Proton-​K 8K82K startklar gemacht. Am 13.07.1969 hob sie in Baikonur ab. Und diesmal funktionierten wirklich alle Stufen der Rakete einwandfrei. Ohne Probleme erreichte Luna 15 seine Bahn zum Mond. Dabei hatten Gewichtsprobleme die Mission bis zuletzt in Frage gestellt. Erst der Ausbau eines Teils der Funkausrüstung drückte das Gewicht unter die kritische Marke. Bald nach dem Start traten jedoch ernste Probleme auf. Die Temperatur in den Treibstofftanks des S5.61 Triebwerks für den Rückstart vom Mond erreichte so hohe Werte, daß eine Explosion nicht ausgeschlossen werden konnte. Bei der Suche nach einer Lösung verfiel man schließlich auf die einfache Idee, Luna 15 so zu drehen, daß die Tanks immer im Schatten lagen. Daraufhin sank die Temperatur wieder auf akzeptable Werte. Nach einem ungewöhnlich langen Transferflug schwenkte Luna 15 am 17.07.1969 in einen Mondorbit ein. Zu diesem Zeitpunkt befand sich auch Apollo 11 auf dem Weg zum Mond. Über inoffizielle Kanäle hatten die USA zuvor die Bestätigung erhalten, daß die Mission von Luna 15 diejenige von Apollo 11 nicht beeinträchtigen würde. Am 19.07.1969 und 20.07.1969 fanden zwei Bahnmanöver von Luna 15 statt, bevor am 21.07.1969 (Apollo 11 war bereits gelandet) das Bremsmanöver für die weiche Mondlandung eingeleitet wurde. Der finale Landeanflug hatte sich um 18 h verzögert, da die Daten des Radarhöhenmessers beim Überflug auf ein unerwartet rauhes Terrain hindeuteten. Die Flugleitung brauchte daher länger als erwartet, um das Abstiegsprofil zu einem sicheren Landegebiet zu berechnen. Dennoch waren die Experten optimistisch, die Mission zu einem erfolgreichen Abschluß zu bringen. Zunächst verlief der Abstieg auch nach Plan, doch dann brach 2 min vor dem berechneten Landezeitpunkt plötzlich der Funkkontakt ab. Eine spätere Analyse ergab, daß Luna 15 mit 480 kmh1 eine Bergflanke gestreift hatte. Nach der offiziellen TASS Presseerklärung hatte Luna 15 hingegen seine Mission erfolgreich abgeschlossen und den Mond im vorgesehenen Gebiet „erreicht“. In der allgemeinen Begeisterung über die erste bemannte Mondlandung ging diese Meldung aber ohnehin unter.
luna-16_ascend_realDie nächsten Starttermine am 28.07. und 25.08.1969 ließ man verstreichen, um den Fehlschlag zu analysieren und wohl auch, um den ersten Jubel nach Apollo 11 ausklingen zu lassen. Doch den nächsten Termin am 23.09.1969 nahm man war. Diesmal vereitelte aber ein blockiertes Sauerstoffventil in der Block-​D Stufe einen Erfolg. Die verhinderte Mondmission strandete als Kosmos 300 nutzlos im Erdorbit. Am 22.10.1969 wiederholte sich der Fehler praktisch. Diesmal war es jedoch ein Defekt im Steuerungssystem der Block-​D 11S824 Fluchtstufe, der die Mission scheitern ließ. Und als wenn dieser neuerliche Mißerfolg nicht schlimm genug gewesen wäre, kehrten nun auch die Triebwerksprobleme mit der Proton-​Rakete selbst zurück. Denn, als das Je-​85 Programm am 06.02.1970 fortgeführt werden sollte, kam es zu einer Anomalie in der Erststufe. Nach 128 s Flug wurde schließlich die Notabschaltung der Zweitstufentriebwerke initiiert. Die Rakete stürzte 80 km südwestlich von Dscheskasgan ab. Damit verblieb nur noch einer von ursprünglich fünf bewilligten Landern. Was kaum noch jemand zu hoffen gewagt hatte, gelang. Luna 16 erreichte am 12.09.1970 die vorgesehene Parkbahn um die Erde. Von dort aus beschleunigte die Block-​D Fluchtstufe ihre Nutzlast auf eine Bahn zum Mond. Am 13.09.1970 fand eine Kurskorrektur statt. Diese reichte aus, um Luna 16 präzise zum Eintrittspunkt für das Bremsmanöver am Mond zu befördern. Am 17.09.1970 schwenkte die Sonde in einen kreisförmigen 110 km Orbit mit 70° Bahnneigung ein. Bahnkorrekturen senkten zwischen dem 18. und 19.09.1970 das Periselenum bis auf 15 km ab, während das Aposelenum mit 106 km weitgehend unverändert blieb. Im mondnächsten Punkt wurde am 20.09.1970 das Bremsmanöver eingeleitet. In etwa 600 m Höhe begann mit der Wiederzündung des Triebwerks der radargeführte Abstieg zur Mondoberfläche. Bei 20 m über Grund wurde das Haupttriebwerk abgeschaltet und zwei Vernier-​Triebwerke übernahmen die weitere Abbremsung und Stabilisierung. In etwa 2 m Höhe über der Mondoberfläche wurden schließlich auch sie abgeschaltet und Luna 16 setzte am 20.09.1970 um 05:18 UTC antriebslos mit noch etwa 2,5 ms1 im Mare Fecunditatis bei 0,69° Süd und 56,3° Ost auf der Nachtseite des Mondes auf. Nach Systemchecks wurde um 10:00 UTC ein Arm mit einem Probenbohrer ausgeschwenkt, der knapp 90 cm von der Sonde entfernt einen Bohrkern von etwa 35 cm Länge aus dem Mondboden entnahm. Als die Sensoren in dieser Tiefe einen starken Widerstand spürten, wurde die Probenentnahme beendet. Der Bohrer wurde mitsamt der Probe anschließend in die Rückkehrkapsel eingeführt und diese hermetisch verschlossen. Obwohl die Probenentnahme während der Mondnacht erfolgte, sollten eigentlich TV-​Kameras den Vorgang dokumentieren. Dazu waren Scheinwerfer an der Landestufe montiert worden. Als diese jedoch versagten, blieb dem Kontrollzentrum nur, die Probenentnahme aufgrund der Sensordaten zu überwachen. Auch dazu pausierte das Entnahmegerät nach jedem Arbeitsschritt, um die Möglichkeit zum Eingreifen zu geben. Am 21.09.1970 um 07:43 UTC zündete schließlich das Triebwerk der Rückkehrstufe und brachte diese auf eine direkte Flugbahn zurück zur Erde. Damit kehrte erstmals ein Körper von der Mondoberfläche im direkten Rückstartverfahren zur Erde zurück. Die Bahn­injektions­geschwindigkeit betrug dabei 2.708 ms1. luna-16_capsuleDer Rückflug fand ohne eine weitere Kurskorrektur statt und am 24.09.1970 wurde in über 48.000 km Entfernung von der Erde bei einer Geschwindigkeit von nahezu 11.000 ms1 die Landekapsel vom Rest der Rückkehrstufe abgetrennt. Auf einer ballistischen Bahn kehrte sie zur Erde zurück. Dabei erreichten die maximalen Verzögerungswerte gewaltige 350 g. In 14.500 m Höhe öffnete sich dann ein erster Bremsschirm und in 11.000 m Höhe der eigentliche Hauptschirm, an dem die Kapsel am 24.09.1970 um 05:25 UTC etwa 80 km südöstlich von Dscheskasgan landete. Der Flug war ein herausragender Erfolg der sowjetischen Raumfahrt und verblüffte in allen Phasen durch die hohe Präzision. So hatte man die Landung im Umkreis von 1.500 km um Dscheskasgan angenommen. Nun betrug die Abweichung vom Nullpunkt ganze 30 km! Technologisch war die Luna 16 Mission eine Meisterleistung. Wissenschaftlich blieb die Ausbeute bescheiden. Da waren vor allem die rund 100 g Mondgestein, die zur Analyse gewonnen worden waren. Aber auch die während des Fluges kontinuierlich übertragenen Meßwerte zur Strahlung und Temperatur waren natürlich wertvoll. Ebenso übermittelte die Landestufe noch einige Zeit Meßwerte von der Mondoberfläche. luna_sample_return_capsuleMit den von in Geologie geschulten Apollo Astronauten gesammelten Bodenproben und Felsbrocken konnte diese Zufallsprobe jedoch nicht mithalten. Immerhin setzte die Sowjetunion das Programm noch einige Jahre fort. Das OKB S. A. Lawotschkin arbeitete mit den beteiligten wissenschaftlichen Instituten an einer Verbesserung des Je-​85 Designs. Optimiert wurden beispielsweise die Abstiegsbahn und die Probenentnahme. Dennoch blieb das Ergebnis des Programms durchwachsen. Luna 18 (September 1971) zerschellte in rauhem Terrain auf dem Mond. Luna 20 (Februar 1972) demonstrierte eine erfolgreiche Landung in einer lunaren Bergregion, kehrte jedoch mit lediglich 30 g Proben zurück. Luna 23 (Oktober 1974) beschädigte bei der Landung den Proben­entnahme­mechanismus. Im Oktober 1975 strandete dann wieder eine Mission im Erdorbit. Ein voller Erfolg war luna-16_sampledagegen die letzte Mission im August 1976. Der Bohrer von Luna 24 drang 2,25 m tief in den Boden ein und entnahm einen 1,6 m langen Bohrkern von 170 g. Am 22.08.1976 ging die Rückkehrkapsel 200 km südöstlich der Stadt Surgut in Sibirien nieder. Was damals noch niemand ahnte, für Jahrzehnte sollte dies überhaupt die letzte Mission zum Erdmond bleiben. Und die Gewinnung von Bohrproben anderer Himmelskörper sowie ihre Rückführung zwecks Analyse auf der Erde ist seither ebenfalls ein Traum der Wissenschaftler geblieben. Insofern setzen die drei erfolgreichen robotischen Probenentnahmemissionen des Luna Programms auch heute noch Maßstäbe.