Theodore von Karman: „Reentry is … perhaps the most difficult problem one can imagine.“

Zu den frühesten Problemen, mit denen sich Raumfahrtingenieure in Ost und West beschäftigen mußten, gehörte die Frage, wie man ein Objekt sicher aus der Erdumlaufbahn zurückholen und möglichst präzise an einem vorbestimmten Punkt niedergehen lassen konnte. Das betraf natürlich die Idee, biomedizinische, Material– und andere Proben nach einem Raumflug zwecks Untersuchung auf der Erde bergen zu können. Und die Vorstellung bemannter Raumflüge, war ohne die Lösung dieses Problems dazu verdammt, eine Utopie zu bleiben. Dabei zeigten die Comic-​Hefte der 1950^er Jahre eine klare Vorliebe für geflügelte Raumfahrzeuge aller Art. Hinter den Kulissen arbeiteten die Ingenieure aber an einer eher konventionellen Lösung. Und das erste Einsatzgebiet dieser Kapsel sollte die Rückführung von Filmmaterial sein, daß Fotoaufklärungssatelliten über dem Territorium des jeweiligen Gegners gewonnen hatten. Dabei konnten die Ingenieure und Wissenschaftler auf die neuesten Erkenntnisse zurückgreifen, die aus der Entwicklung der ersten abtrennbaren atomaren Sprengköpfe für Interkontinentalraketen stammten. Eines der konstruktiven Defizite der deutschen V-​2  Rakete (Aggregat-​4) war ihr nicht abtrennbarer Sprengkopf. Dies war so offenkundig, daß zu den frühesten Nachkriegsänderungen bei den Weiterentwicklungen dieser Rakete in den USA und in der Sowjetunion die Einführung des abtrennbaren Sprengkopfs gehörte. Mit der zunehmenden Reichweite der Raketen wurde aber die aerodynamische Aufheizung in der Atmosphäre zu einem wachsenden Problem. Die zunächst untersuchten Formen der Sprengköpfe waren eher lang und spitz. Sie erweisen sich als praktisch unbrauchbar. Bessere Ergebnisse erzielten im Gegenteil eher stumpfe Formen. In jedem Fall mußten aber die auftretenden extremen Temperaturen von empfindlichen Teilen des Sprengkopfs ferngehalten werden. Eine funktionierende Variante war die sogenannte „Wärmesenke“. Dabei wurde unter der Außenhaut des Sprengkopfs eine große Masse aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit untergebracht. Für einen begrenzten Zeitraum konnte derart ein Großteil der Energie aufgefangen werden. Nachteilig war u.a. das hohe Gewicht dieser Lösung. Außerdem leitete sie zwar die Wärme von der Oberfläche des Sprengkopfs ab, heizte aber zugleich das Innere auf. Von den untersuchten Alternativen (u.a. Radiatoren zur Wiederabstrahlung, zirkulierendes flüssiges Metall, Schwitzkühlung) setzte sich schließlich die Ablativkühlung durch. Dabei wurde die Kapsel mit einem Spezialkunststoff überzogen, der bei der großen Hitze abschmolz oder sogar verkohlte, dessen obere Schichten sich aber in jedem Fall ablösten und dabei die aufgenommene Energie mitnahmen. Zu den führenden Unternehmen bei der Entwicklung dieser neuartigen Wiedereintrittskörper zählten General Electric, Ramo-​Wooldridge und Avco. Nachdem GE erfolgreich die Grundlagen für das neuartige Design gelegt hatte, übernahm die Avco Corporation zum einem großen Teil die Überleitung zur Serienproduktion der Wiedereintrittskörper. Als die anfänglichen Probleme mit der unkontrollierten Delamination überwunden waren, erwies sich ein Spezialkunststoff auf Phenolharzbasis mit eingelegtem Nylon-​Gewebe und Quarzfasern als optimale Wahl für die Ablativschicht.
Logischerweise zählten die Unternehmen mit Erfahrungen bei der Entwicklung von Wiedereintrittskörpern für ballistische Raketen auch bevorzugt zu jenen, bei denen Entwürfe für eine Wiedereintrittskapsel für einen Satelliten angefragt wurden. Zwar setzte man Mitte bis Ende der 1950^er Jahre große Hoffnungen auf die Übertragung von Fernsehaufnahmen aus dem Orbit. Doch gab es auch berechtigte Zweifel an der Leistungsfähigkeit eines solchen Systems. Daher wurde als Interimslösung der Einsatz von modifizierten Luftbildkameras untersucht, deren belichtetes Filmmaterial in einer Kapsel zur Erde zurückkehren sollte. Dieses System wurde für das CORONA Programm nicht nur als erstes zur Serienreife entwickelt, es stand auch trotz aller Fortschritte bei der digitalen Bildgewinnung und –übertragung bis in die 1980^er Jahre weitgehend unverändert im Einsatz. Den Auftrag zum Bau der kleinen Kapsel, die sich im Durchmesser an der Agena Oberstufe (1,52 m) orientieren mußte, erhielt General Electric. Nach dem Mk. 2 Reentry Vehicle nach dem Wärmesenke-​Prinzip und dem ersten operativen, ablativ gekühlten, Wiedereintrittskörper Mk. 3, beschritt GE mit der Kapsel wieder einmal Neuland. Denn die thermischen Belastungen für die winzige Kapsel würden enorm sein. Allerdings dauerte der Wiedereintritt nicht so lange, wie der Flug eines Sprengkopfs durch die Atmosphäre. Auch waren die Anforderungen hinsichtlich der Orientierung und Stabilisierung der Kapsel nochmals höher als bei einem Sprengkopf. In der kesselförmigen Kapsel von nur 0,84 m Durchmesser und 0,69 m Höhe mußte nicht nur das Filmmaterial verstaut werden, auch Batterien, eine Funkbake, Farbmarker u.a.m. mußten ihren Platz finden. Dazu kamen ein abtrennbares Retrotriebwerk, kleine Hilfstriebwerke für die Spinstabilisierung und natürlich ein Fallschirm. Die Kapsel war dennoch nur ein, wenn auch entscheidendes, Teil des „Discoverer“ Satelliten. Am ehesten konnte man noch die Thor Trägerrakete für den Satelliten als ausgereift bezeichnen. Obwohl sie in einem nie dagewesenen Crashprogramm innerhalb weniger Monate als IRBM entwickelt worden war, erwies sie sich nach Überwindung einiger Kinderkrankheiten als sehr zuverlässig. Das konnte man zunächst von der neuentwickelten Agena Oberstufe nicht sagen. Oberstufen stellten die Ingenieure weltweit vor große Herausforderungen. Ihre präzise räumliche Orientierung bei der Zündung außerhalb des Funkleitbereichs des Startgeländes und die Bedingungen der Schwerelosigkeit waren nur einige der Probleme, mit denen sich die Ingenieure auseinandersetzen mußten. Mit der Agena wurde zudem erstmals ein neues Flüssigkeitstriebwerk als Oberstufe eingeführt, das nicht von einer Interkontinentalrakete oder der Vanguard Rakete abstammte. Zudem sollte die neue Oberstufe eine präzise räumliche Orientierung und Stabilisierung der mit ihr fest verbundenen Nutzlast gewährleisten. Keinesfalls unproblematisch war auch die Entwicklung des Kamerasystems für den Satelliten. Zwar verfügten die USA über große Erfahrungen beim Einsatz von hochfliegenden Luftbildkameras. Sowohl auf hochfliegenden Jet-​Aufklärern wie der Boeing RB-​47  der USAF oder der Lockheed U-​2  der CIA, aber auch auf im Jetstream driftenden Ballons (z.B. Projekt GENETRIX) waren diese zum Einsatz gekommen. Doch die Anpassung dieser Systeme für den Einsatz auf einen unvergleichlich schneller fliegenden Satelliten, die extreme Höhe, die kosmischen Bedingungen (Temperatur, Strahlung etc.) und die beengten Raumverhältnisse stellten eine gewaltige Herausforderung dar. Und dann war da noch das Problem der Bergung. Da die USA nur über wenige menschenleere Gebiete verfügten, die sich für eine Kapselbergung anboten, wählte man stattdessen den offenen Ozean. Nachdem der letzte belichtete Film in die Landekapsel umgespult und diese versiegelt war, konnte per Funkkommando die Abtrennung ausgelöst werden. Notfalls übernahm ein vorprogrammiertes Zeitschaltwerk die Zwangstrennung. Allerdings lief man dann Gefahr, daß die Bergungsoperation bei ungünstigen meteorologischen Bedingungen erfolgen mußte. Nach der Abtrennung sollten kleine Feststofftriebwerke die Kapsel in eine stabilisierende Rotation versetzen, bis die aerodynamischen Kräfte für eine stabile Orientierung sorgten. Dann mußte die Rotation wieder gestoppt werden (gerade diese Triebwerke sollten sich als ständige Fehlerquelle erweisen, bis sie schließlich durch ein System von Kaltgasdüsen ersetzt wurden). Schließlich gingen die Kapseln in einem Seegebiet vor Hawaii am Fallschirm nieder. Dort patrouillierten speziell umgerüstete Fairchild C-​119  (später Lockheed C-​130) Transportflugzeuge. Aus der geöffneten Heckluke ließen sie mit einer Winde eine trapezförmige Struktur mit Fanghaken ab, mit dem die Leinen des Fallschirms der Kapsel gegriffen werden mußten. Dieses System schien auf den ersten Blick abenteuerlich, war aber durchaus erprobt und bewährt. Ab 1956 flogen Besatzungen des 456^th Troop Carrier Wing Einsätze zur Bergung von WS — 119 L Ballongondeln. Alle ings war hier die Vorgehensweise eine etwas andere. Nach dem Überflug der Sowjetunion bzw. Chinas aktivierte ein Zeitschaltwerk eine Funkbake. Diese peilten die Flugzeugbesatzungen an und näherten sich dem Ballon auf Sichtweite. Dann sendeten sie ein Funksignal, das die Gondel mit der Kameraausrüstung ausklinkte. Gelang die Bergung in der Luft dennoch nicht, standen Hubschrauber bereit, um sie aus dem Meer aufzufischen.
Das CORONA Programm der CIA, für das die USAF die Cover-​Story vom wissenschaftlichen „Discoverer“ Satelliten entwickelt hatte, begann 1959 mit einer Serie von Fehlschlägen. Bei den Vorbereitungen zum ersten Start des ersten Satelliten kam es am 21.01.1959 zu einer Fehlfunktion, die beinahe mit der Explosion der Rakete geendet hätte. Einen Monat später, am 28.02.1959, ging der Kontakt zu Discoverer I unmittelbar nach dem Start verloren. Auch wenn die USAF die Mission als Erfolg bewertete, landete der Satellit vermutlich nach einigen 1.000 km Flug in der Antarktis. Die Kapsel von Discoverer II konnte nicht geborgen werden. Jedenfalls nicht von den Amerikanern. Sollte sie tatsächlich, wie damals angenommen, auf Spitzbergen niedergegangen sein, fiel sie wohl in die Hände von sowjetischen Agenten. Die Fehlschläge setzten sich fort. Mal versagte die eigentlich doch so zuverlässige Thor Grundstufe der Rakete, dann die wieder Agena Oberstufe. Erreichte einmal ein Satellit die Umlaufbahn, strandete die Landekapsel ungewollt auf einer Erdumlaufbahn oder konnte nach ihrer Abtrennung nicht mehr geortet werden. Offiziell betonte die USAF den großen Erkenntnisgewinn, den das „Forschungsprogramm“ trotz aller Rückschläge bis zum Sommer 1960 erbracht hatte. Hinter den Kulissen wurde aber massive Kritik geübt. Lediglich die Alternativlosigkeit des Programms hielt es allen Zweifeln zum Trotz am Leben. Im August 1960 kam dann der langersehnte Durchbruch. Am 11.08.1960 wurde die Kapsel von Discoverer XIII per Funksignal aus Alaska ausgestoßen. Planmäßig verliefen die weiteren Schritte bis zum Wiedereintritt. Schließlich konnten die nördlich von Hawaii in der Luft patrouillierenden Flugzeuge des 6.594^th Test Wing das Signal der Funkbake der Kapsel empfangen. Doch offenbar ging diese außerhalb der eigentlichen Landezone nieder. Ehe man sich auf diese Situation eingestellt hatte, war der Fallschirm unter die Mindesthöhe für ein erfolgreiches Abfangmanöver gesunken. Doch noch gab es eine zweite Chance. Und tatsächlich überlebte die Kapsel den Aufprall auf dem Meer, tauchte wieder auf und begann ihre Position zu markieren. Dazu verfügte sie neben der Funkbake über Stroboskop-​Lampen und einen Farbmarker, der das Meer um die Landestelle deutlich grün färbte. Die Signale führten die Bergungskräfte rechtzeitig zu der Kapsel, bevor sich der in ihrer Außenhülle eingelassene Salzstopfen (eine Sicherheitsmaßnahme, um zu verhindern, daß die Kapsel in unbefugte Hände fiel) auflösen konnte. Von einem Hubschrauber wurden Marinetaucher abgesetzt, die die Kapsel sicherten, bis das Bergungsschiff „Haiti Victory“ eintraf. Erstmals war ein von Menschen geschaffenes Objekt unversehrt aus dem Erdorbit zurückgekehrt!
Nur wenige Tage später konnte die USAF einen noch größeren Erfolg vermelden. Am 19.08.1960 gelang es einer C-​119  der 6.593^rd Test Squadron unter Kommando von Capt. Harold F. Mitchell, die Kapsel des am Tag zuvor von Point Arguello (Vandenberg) gestarteten Discoverer XIV noch in der Luft abzufangen. Im dritten Anflug meisterte die Crew die schwierige Aufgabe, mit dem Fanggeschirr den Fallschirm der Kapsel zu greifen und diese mit der Winde in den Frachtraum zu ziehen. Zwar erfolgte das Abfangmanöver nur mit viel Glück in einer Außenzone des eigentlichen Landegebiets. Aber was zählte, war das Ergebnis. Vervollständigt wurde der Erfolg dadurch, daß die Kapsel erstmals auch belichtetes Filmmaterial von Regionen der Sowjetunion an Bord hatte, die bis dahin für die Aufklärung unerreichbar gewesen waren. Damit hatte Discoverer XIV nicht nur das Konzept, sondern auch eindrucksvoll den Nutzen des Systems bestätigt.
Was zu jener Zeit noch niemand ahnen konnte war, daß man mit den beiden erfolgreichen „Discoverer“ Missionen der Sowjetunion nur um wenige Tage zuvor gekommen war. Hier lief gerade die Erprobung der unbemannten Prototypen für das bemannte „Wostok“ Raumschiff an. Nach einem ersten Vorversuch im Mai 1960 sollte mit Korabl Sputnik KS-​2  erstmals der Versuch unternommen werden, die große Rückkehrsektion des Satelliten zur Erde zurückzuholen. Unzweifelhaft hatte diese Mission das Zeug dazu, die amerikanischen Bemühungen in den Schatten zu stellen. Nicht nur, daß die Landesektion weitaus größer war. Sie beherbergte mit „Belka“ und „Strelka“ auch noch zwei Hunde. Probleme bei der Startvorbereitung hatten den Start um vier Tage auf den 19.08.1960 verzögert, den Tag, an dem Discoverer XIV zur Erde zurückkehrte. Dennoch erregte der sowjetische Erfolg weltweit große Aufmerksamkeit. Denn der sowjetische Delegationsleiter auf dem XI. Internationalen Astronautischen Kongreß in Stockholm, Leonid Sedow, konnte am letzten Tag der Veranstaltung den staunenden Kollegen aus der ganzen Welt die Neuigkeiten von der erfolgreichen Korabl Sputnik Mission berichten. Auf einer Pressekonferenz in Moskau wurden den Journalisten die beiden Hunde vorgeführt. Die amerikanischen Bemühungen, im Rahmen des zivilen Tarnprogramms für die „Discoverer“ Satelliten, einige Mäuse ins All zu schießen und zurückzuholen (alle diese Flüge scheiterten aus unterschiedlichen Gründen), verblaßten dagegen. Was selbst Experten damals nicht wußten: das Design der „Wostok“ Kapsel bildete sowjetischerseits die Grundlage für den „Zenit“ Fotoaufklärungssatelliten. Dank ihrer Größe war dessen Landekapsel aber in der Lage, das gesamte Kamerasystem zur Erde zurückbringen, wo es für weitere Missionen aufgearbeitet werden konnte.
Der General Electric Entwurf der „Discoverer“ Landekapsel hätte beinahe den umgekehrten Weg genommen. Eine vergrößerte und leicht modifizierte Variante wurde der NASA sogar für das Apollo Projekt angeboten.
Die Bergungsoperationen für zur Erde zurückkehrende Fotoaufklärungssatelliten wurden in den USA wie auch in der Sowjetunion bald schon zu einer Routineangelegenheit. Oft im Abstand von nur wenigen Tagen kehrten diese zurück. Eine Besonderheit blieb aber das Abfangen in der Luft durch die Piloten der auf der Hickam AFB stationierten 6.593^rd Test Squadron. Deren Motto seit den ersten Abfangversuchen des Sommers 1960: „Catch a Falling Star“.
Am 30.09.1986 wurde die 6.594^th Test Group aufgelöst. In den rund 27 Jahren ihres Bestehens hatte sie fast 200 Kapseln unterschiedlichster Satellitentypen geborgen. Nun führten Fortschritte bei der digitalen Bildgewinnung und –übertragung in den USA zum Ende der bewährten Technik der Filmlandekapseln.
Dennoch haben die 1960 erworbenen Fähigkeiten zur Kapselbergung bis heute ihre Bedeutung behalten. Auch die USA führten im Laufe der letzten Jahrzehnte immer wieder wissenschaftliche Nutzlasten aus dem Erdorbit oder sogar aus dem Tiefraum zurück. Und mit dem Ende des Space Shuttle Programms rückte auch ihr Einsatz in der bemannten Raumfahrt wieder in den Fokus. Die Sowjetunion und später Rußland behielt seine Kapseltechnologie der 1960^er Jahre auch 5 Jahrzehnte später weitgehend unverändert bei. Filmaufnahmen, biologische und materialwissenschaftliche Proben sowie Kosmonauten kehren noch immer regelmäßig in den Kapseln vom Wostok– oder Sojus-​Typ zur Erde zurück.