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Missionen zum Mars (Teil 1)

Einleitung

Mars Oppositionen 1965-1978Der Mars nimmt innerhalb der Erforschung der Planeten eine einmalige Sonderstellung ein. Kein Planet fasziniert die Forscher so wie der Mars, bei keinem anderen vermutet man, dass wenigstens früher einmal auf ihm Leben existiert haben könnte und keiner ist der Erde so ähnlich wie der Mars.

So ist es nicht verwunderlich, das die meisten Planetenmissionen zum Mars gehen. Dabei kommt die Bahn des Mars den Planern zu Hilfe. Der Mars ist - nach der Venus - der Planet der am schnellsten und mit geringem Energieaufwand erreicht werden kann. So benötigt eine Raumsonde zum Verlassen der Erde (oder zum Mond) aus einer 180 km hohen Parkbahn zirka 11 km/s, zur Venus 11.5 und zum Mars je nach Abstand 11.7-11.9 km/s. Ein Flug dauert im Idealfall je nach Abstand 237-280 Tage. Der Grund dafür ist die exzentrische Marsumlaufbahn, deren Sonnenabstand zwischen 206 und 249 Millionen km schwankt, und somit auch der Erdabstand zwischen 55 und 101 Millionen km. Besonders günstige Startfenster zum Mars wiederholen in etwa alle 15 Jahre. Die letzten 3 Startfenster mit Minimaldistanzen um 60 Millionen km waren 1971, 1986 und 2003.

Trotzdem gingen erstaunlich viele Missionen zum Mars schief, besonders in neuerer Zeit, wo kaum noch Fehlschläge hinzunehmen sind. Dieser Artikel ist eine chronologische Übersicht über die erfolgten Missionen mit einer knappen Beschreibung der Raumsonden.

Über die gescheiterten Missionen der Sowjetunion ist auch heute noch wenig bekannt. Diese Missionen wurden oft totgeschwiegen, oder wenn Sie wenigstens einen Erdorbit erreichten als "Sputnik" oder "Kosmos" klassifiziert. Ich habe mich bemüht, die vorhandenen Details zusammenzutragen. Vollkommen fehlt eine Namengebung der gescheiterten sowjetischen Sonden. Im Westen ist es üblich, diese nach Startjahr mit einem angehängten Buchstaben pro Sonde zu bezeichnen.

Da es insgesamt bisher fast 40 Sonden sind habe ich diesen Aufsatz in 2 Teile aufgeteilt. Dieser Teil behandelt alle Start bis 1975. Teil 2 behandelt alle Starts ab Phobos 1 (1988 bis heute). Über die Programme "Mars" der Sowjetunion, "Mariner" und "Viking" der USA informieren separate Aufsätze.

"Mars 1960A" (10.10.1960)

Bei den ersten Missionen der Sowjets in der Chruschtschow Ära, ging es vor allem um die Erbringung von Erstleistungen, die den Vorsprung des kommunistischen Systems zeigen sollten. So sollte auch eine Marsmission lange vor den Amerikanern erfolgen. Die Amerikaner hatten erst für 1964 ihre erste Mission angekündigt und wären 1960 nicht in der Lage gewesen eine größere Nutzlast zum Mars zu schicken, da ihre Raketen nicht hinreichend leistungsfähig waren.

Chruschtschow wollte den Start bei seiner Rede vor der UN im Oktober bekannt geben, und hatte dafür ein Modell der Sonde im Gepäck. Die Sonde selbst war von einfachster Bauart und sehr schnell entwickelt worden, in weniger als einem Jahr. Man nimmt an das die Sonde ein Foto schießen sollte und wie Lunik 3 dazu herkömmlichen Film nutzte. Technische Details der Sonde gibt es bis heute nicht. Je nach Quelle so es eine Sonde sein, die Venera 1 ähnelt (Startmasse dann etwa 640 kg) oder eine sehr einfache Sonde mit nur 2 Experimenten und 480 kg Gewicht sein.

Jedoch reagierte die dritte Stufe der Trägerrakete nicht auf die Zündungssignale, wahrscheinlich durch Ausfall des Kontrollsystems durch starke Vibrationen beim Start, die Sonde stürzte mit Oberstufe nach Erreichen einer Gipfelhöhe von 120 km ab und ging in Ostsibirien nieder. Die Sonde sollte den Mars am 13.5.1961 passieren.

"Mars 1960B" (14.10.1960)

Nun wurde die Zeit knapp, denn die Rede Chruschtschow vor der UN stand unmittelbar bevor und noch war keine Erfolgsmeldung zu überbringen, so machte man hastig die Schwestersonde zum Start bereit. Schon 4 Tage nach dem Start von Mars 1960A stand die Rakete auf der Startrampe.

Die Sonde sollte den Mars am 15.5.1961 passieren. Doch dazu kam es nicht. In der Drittstufe war Kerosin in der Rohrleitung zur Turbopumpe eingefroren. Die Drittstufe versagte nach 290 Sekunden und Oberstufe und Nutzlast verglühten in der Atmosphäre. Die neue Version der Sputnik Trägerrakete mit einer neuen dritten und vierten Stufe war noch nicht ausgereift. Chruschtschow konnte sein Marssondenmodell weder in der UNO präsentieren, noch es dem amerikanischen Präsidenten überreichen, wie dies geplant war..

Mars 1Sputnik 22 (24.10.1962)

Bei dem nächsten Startfenster, 2 Jahre später brachte man 3 Sonden auf den Weg. Die Molnija Trägerrakete, die schon "Mars 1960" startete, musste zu diesem Zeitpunkt als unzuverlässig gelten, denn von den bislang erfolgten 7 Starts gelang nur einer.

Der erste Start verlief so auch nicht erfolgreich: die vierte Stufe zündete im Erdorbit nur für 16 Sekunden, so das die Raumsonde in einem 180 × 485 km hohen Parkorbit strandete. Die Sonde wurde umbenannt in "Sputnik 22", und ihre Masse mit 6500 kg angegeben. Wenige Tage später explodierte die Oberstufe durch den steigenden Druck in den Tanks. Die auf die Erde niedergehenden Trümmer verursachten einige Aufregung bei dem US Frühwarnsystem, denn just zu diesem Zeitpunkt befand sich die Kuba Krise auf ihrem Höhepunkt.

Man kann annehmen, das es sich bei dieser Sonde um die Schwestersonde der 7 Tage später gestarteten Mars 1 handelt, so das die technischen Daten mit deren übereinstimmen.

Sputnik 22+24 und Mars 1 waren Sonden des Typs "1MV". Diese interne Kurzbezeichnung sagte aus, dass es der erste (1) Versuch eines gemeinsamen Busses für eine Mars- (M) und eine Venussonde (V) war. Dieser zylindrische Bus trug einige kleinere Experimente zur Erforschung des interplanetaren Raumes (Teilchenexperimente, Mikrometeoritendetektoren, Magnetometer). Er versorgte die Sonde mit Strom, führte die Kurskorrekturen aus und kommunizierte mit der Erde. Er konnte alternativ eine Landekapsel oder eine größere Instrumentensektion mit eigener Elektronik, Sendeeinrichtungen in einer druckstabilisierten Kapsel mitführen. Diese Trennung ermöglichte eine Standardisierung des Busses. Die Venussonden bestanden aus zwei Vorbeiflugsonden und einer Landesonde. Alle drei gingen verloren. Auch von den 3 Marssonden, die nur aus Vorbeiflugsonden bestanden sollte nur eine erfolgreich sein.

Mars 1 (1.11.1962)

Nach drei Fehlschlägen in Folge gelang am 1.11.1962 der Start der Schwestersonde von Sputnik 22. Die Agentur TASS verbreitete, das die Sonde 893.5 kg schwer sei, den Mars fotografieren sollte und am 20.6.1963 erreichen würde. Die Sonde verfügte über einen zylindrischen Zentralkörper von 1.1 m Durchmesser, die Gesamtbreite lag bei 4 m mit Solarzellen. Nachdem die Sonde glücklich gestartet war und auch wissenschaftliche Daten über Teilchen und einen Sonnensturm übermittelte, zeigte sich bald, das die Aktoren welche die Ausrichtung zur Sonne und Erde übernahmen immer schwächer wurden.

Mars 1Ursache war, dass die Sonde schon beim Start den gesamten Stickstoff zur Lageregelung verloren hatte und wurde danach nur mit den Reaktionsschwungrädern und stabilisiert werden konnte. Da diese mit zunehmender Entfernung von der Sonne immer weniger Strom bekamen, setzten Sie irgendwann aus.

Am 21.3.1963 konnte in 106 Millionen km Entfernung von der Erde der letzte Kontakt hergestellt werden, danach blieb die Sonde stumm, wahrscheinlich weil die Antenne von der Erde weg zeigte. Am 19.6.1963 passierte die Sonde den Mars in 193.000 km Entfernung. Die wissenschaftliche Ausrüstung bestand aus einem Magnetometer, Entladungsdetektoren für Teilchen, Messgeräte für kosmische Strahlung, Protonen und Elektronen, einem Spektrometer, einer Fotoanlage, einem Mikrometeoritendetektor und einem Nachweisgerät für Ionen höherer Energie. Ein Messgerät zur Bestimmung von Leben auf dem Mars über die Intensität der Absorption im CH Band wurde vor dem Start entfernt, da ein baugleiches Kontrollgerät in der kasachischen Steppe kein Leben entdecken konnte.

Die Sonde detektierte Mikrometeoriten in Erdnähe (40-60000 km Entfernung vom Tauriden Strom) und in 20-40 Millionen km Entfernung. Insgesamt 61 mal gab es Funkkontakt und Übermittlung von Messdaten. anfangs alle 2, später als alle 5 Tage.

Obgleich die Sonde den Mars nicht erreichte konnten wertvolle Erfahrungen gesammelt werden, die in den Bau der nächsten Sonden flossen.

Sputnik 24 (4.11.1962)

Auch die zweite Schwestersonde der Mars 1 strandete in einem Erdorbit. Die Molnija transportierte mit den ersten 3 Stufen die Raumsonde in einen niedrigen Erdorbit. Dort sollte nachkurzer Freiflugphase die vierte Stufe gezündet werden und die Sonde zum Mars transportieren. Die vierte Stufe zündete durch zu hohe Vibrationen beim Start jedoch nicht. Die Sowjetunion benannte sie dann als "Sputnik 24". Die Masse von 6500 kg entspricht dem kombinierten Gewicht der Oberstufe und der Raumsonde. Nach 2 Monaten in einem 170 × 170 km hohen Orbit verglühte die Sonde beim Wiedereintritt.

Mariner 3 (5.11.1964)

Nach fünf sowjetischen Starts starteten 1964 die Amerikaner ihre ersten Marssonden. Die Sowjetunion konzentrierte sich auf den Bau größerer Sonden mit der Proton Trägerrakete und nutzte das 1964 Startfenster nur für einen Sondenstart.

Wie die Sowjets schickten auch die Amerikaner zwei Sonden zum Mars, damit wenigstens eine den Planeten erreichte. Die technischen Daten von Mariner 3 und 4 sind daher identisch. Wie voraus sehend das war, zeigte sich schon kurz nach dem Start von Mariner 3: Eine neue, leichtere Nutzlasthülle aus Fiberglas schmolz durch die Reibungshitze und haftete an der Sonde. Dadurch war die Mission gescheitert. Zum einen gelang es der Agena D Oberstufe der Atlas Agena D nicht mehr, die Sonde durch das zusätzliche Gewicht, zum Mars zu senden sondern nur in einen Orbit von 147 × 195 Millionen km. Zum anderen waren die Solarpanels nicht mehr ausfahrbar und die Sonde verstummte knapp 9 Stunden nach dem Start, als die Batterien entladen waren.

Mariner 4 (28.11.1964)

Mariner 3+4Nach 3 Wochen fieberhaften Arbeitens startete am 28.11.1964 Mariner 4 mit einer Atlas Agena D. Diesmal wurde wieder eine schwerere Nutzlasthülle aus Metall verwendet und das Mehrgewicht durch Änderungen im Antriebssystem der Agena kompensiert. Die Sonde war identisch zu Mariner 3 und wog 260.8 kg. Von dieser Masse entfielen nur 15.8 kg auf die wissenschaftlichen Geräte: Einer Fernsehkamera, angeschlossen an einen Bandspeicher, einem Magnetometer und vier Instrumenten zur Messung von Ionen und Strahlung. Eine Passage in einer Entfernung von 13750 km war vorgesehen, durch Kurskorrekturen erreichte die Sonde sogar einen Abstand von 9844 km.

Am 15.7.1965 begann in 14496 km Entfernung zum Mars die Aufnahme von Bildern mit einem Cassegrain Teleskop von 305 mm Brennweite und einem Durchmesser von 38 mm. Bis zu einer Entfernung von 10743 km wurden 21 weitere Bilder aufgenommen, danach wurde gemessen, wie sich das Funksignal verändert, wenn es durch die Atmosphäre wandert. Aus diesen Daten wurde später rekonstruiert, das die Atmosphäre sehr dünn war und vorwiegend aus Kohlendioxid besteht.

Die Daten wurden erst danach mit 8,33 Bit/sec zur Erde übertragen. Obwohl ein Bild nur 200 × 200 Bildpunkte und 6 Bits (64 Graustufen) pro Bildpunkt hatte, dauerte bei dieser Datenrate eine Übertragung eines Bildes zur Erde 16 Stunden.

Die Mission war erfolgreich, von 22 Bildern war eines nur teilweise aufgenommen worden und 5 weitere unbrauchbar, die 16 anderen Bilder zeigten aber eine Kraterlandschaft wie auf dem Mond. Obgleich nur 1 % der Oberfläche erfasst waren sank damit die Hoffnung auf einen erdähnlichen Mars, da auch die Daten über die Atmosphäre klar machten, das dieser Planet kaum Atmosphäre besitzt.

Ein Reserveexemplar der Mariner 3+4 Sonden wurde später mit anderen Instrumenten bestückt als Mariner 5 zur Venus geschickt. Mit Mariner 4 stellte man noch bis 1967 sporadischen Funkkontrakt her.

Sond 2 (30.11.1964)

Zond 2+3Sond 2 (im englischen Sprachgebrauch "Zond") ist ein Novum in der russischen Marsforschung. Die Sonde gehörte nicht zum Marsprogramm sondern mit dem Programm "Sond" eher zum Mondprogramm der Sowjets. Die ersten drei Sond genannten Sonden hatten ihren Ursprung im Programm 3 MV. Es galt nun einen verbesserten Bus für Venus- und Marssonden zu bauen. Da es bislang einige Ausfälle bei erfolgreich gestarteten Sonden gab, entschloss man sich zuerst je einen Prototyp der Venus- und Marssonde zu starten. Die Testexemplare wurden unter der Bezeichnung Zond geführt. Diesem wären dann ein Lander und eine Vorbeiflugsonde gefolgt. Von diesem Plan wich man später ab. Die Venussonden wurden gestartet, jedoch nie die Marssonden. So ist Sond 3 der einzige Prototyp einer Marssonde der gestartet wurde.

Das die Sowjets eine Sonde abschickten um vor Mariner 4 beim Mars zu sein ist jedoch auszuschließen, denn die Sonde hätte den Mars erst am 6.8.1965 erreicht.

Die Masse der Sonde wird mit 959 kg angegeben, sie verfügte als erste interplanetare Sonde über Ionentriebwerke, als Zweck wurde die Erprobung von Systemen unter Weltraumbedingungen angegeben, ähnliche Tests wurden auch mit anderen Sonden des Sond Programms durchgeführt. Nach einem problemlosen Start jedoch war bald klar, das nur eines der beiden Solarpanel ausgefaltet war, denn der Sonde stand nur die Hälfte der Energie zur Verfügung. Diese wurde immer geringer, mit fortschreitendem Abstand von der Sonne. Am 2.4.1965 verlor man schließlich in 95 Millionen km Entfernung den Kontakt mit der Sonde. Die Sonde passierte den Mars am 6.7.1965 in 1500 km Entfernung und 5265 m/s Relativgeschwindigkeit.

Nachdem Mariner 4 die Erstleistung "Vorbeiflug am Mars" erbracht hatte, konzentrierte sich die Sowjetunion auf die Erstleistung "Erster Marsorbiter". Dies machte jedoch erheblich schwere Sonden notwendig und die dafür notwendige Trägerakete stand nicht vor April 1967 zur Verfügung, zu spät um vor 1969 Sonden zum Mars zu starten.

Mariner 6 (24.2.1969)

Mariner 6+7Vier Jahre später stand den Amerikanern die inzwischen erprobte Atlas Centaur zur Verfügung. Damit waren erheblich schwerere Sonden möglich, obgleich das Startfenster von 1969 sehr ungünstig lag. Trotzdem waren die beiden Schwestersonden Mariner 6+7 mit je 412.8 kg Gewicht fast doppelt so schwer wie Mariner 3+4. Die Masse der wissenschaftlichen Geräte war mit 57.6 kg sogar fast 4 mal so groß. Die Sonden verfügten nun über 2 Kamerasysteme mit 11 × 14 und 1.1 × 1.4 Grad Blickwinkel. Beide Kameras zerlegten das Bild in 500 × 900 Bildpunkte mit 7 Bits für die Helligkeit. Auf einem 195 Megabit Bandrekorder konnten die Bilder festgehalten werden. Darüber hinaus verfügte die Sonde über ein Infrarot und ein Ultraviolett Spektrometer zum Bestimmen der Zusammensetzung der Atmosphäre und ein Radiometer zur Bestimmung der Oberflächentemperatur. Die Funksignale sollten wieder Auskunft über die Dichte der Atmosphäre und die Masse des Planeten geben. Durch eine höhere Sendeleistung und die neuen 64 m Antennen auf der Erde konnten nun schon 16200 Baud aus Marsentfernung übertragen werden. Gesteuert wurde die Sonde wie ihre Vorgänger durch 53 Kommandos von der Erde aus.

Start und Flug zum Mars von Mariner 6 verliefen problemlos und am 29.7 begann in 1.17 Millionen km Entfernung die Übermittlung von Teleaufnahmen bis in 724000 km Entfernung. Insgesamt 49 komplette Aufnahmen wurden gemacht, 2 Stunden vor der Passage am 31.7.1969 begann auch die Übermittlung von Weitwinkelaufnahmen, wobei 26 aufs Band geschrieben wurden. Die Sonde erregte einiges Aufsehen, da gerade erst die Landung von Apollo 11 erfolgte und die Öffentlichkeit daher sensibilisiert war.

Nach der Passage in 3431 km Höhe wurden die Aufnahmen vom Band zur Erde übertragen. Die Auswertung der Bilder und Daten die zusammen mit der Schwestersonde gewonnen wurden zeigten 20 % der Oberfläche, ergaben nun die ersten "genauen" Werte für die Zusammensetzung der Atmosphäre und der Temperatur der Oberfläche. Auch hier zeigten die Bilder unglücklicherweise eine Kraterlandschaft, obgleich dies nicht typisch für den Mars war.

Mars E/F (1969) "Mars 1969A" (27.2.1969)

Wohl wissend, das man nun im "Wettrennen" zum Mars mehr als einen Vorbeiflug bieten musste, um in Führung zu gehen, hatte sich die Sowjetunion in den letzten Jahren auf die Entwicklung einer neuen Generation schwerer Marssonden konzentriert, die mit der neuen Proton Trägerrakete gestartet werden sollten. Die neuen Marssonden waren nun 3850 kg schwer. Anders als die amerikanischen Sonden sollten sie in einen Orbit um den Mars eintreten.

Um Synergien zu nutzen, wollte man sie um den Bus der Luna 15-24 Sonden herum bauen, doch musste man zahlreiche Subsysteme ändern.

Zentraler Teil ist der Triebwerksblock. Er beinhaltete den Hauptantrieb und arbeitete mit UDMH und Stickstofftetroxid als Treibstoff. 8 kleinere Düsen zur Lagekontrolle waren davon unabhängig. Das Haupttriebwerk arbeitete mit einer Turbopumpe zur Förderung und die Lageregelungsdüsen nutzten 9 Helium Druckgastanks um den Treibstoff zu fördern.

Neben dem Triebwerksblock schlossen sich zwei Solarpanels mit einer Spannweite von 7 m an. Sie lieferten einen Strom von 12 Ampere. Zeiten ohne direkte Bestrahlung der Panels pufferte eine 110Ah Nickel-Cadmium Batterie ab.

Darüber war eine Parabolantenne von 2.83 m Durchmesser befestigt. Der Sender mit 25 Watt operierte ungewöhnlicherweise im K Band bei 6 GHz und sendete mit 6000 Bit/sec. Zwei ungerichtete Sender im Dezimeter Band (790-940 MHz) sendeten mit 128 Bit/sec 500 Messwerte von dem Bus. Die wesentlichen Teile der Sonde waren einem hermetisch abgedichteten Behälter untergebracht. Dieser wurde mit Stickstoff gefüllt und dieser durch einen Ventilator in Bewegung gehalten. So waren diese Systeme optimal temperiert.

Primäres wissenschaftliches Experiment war ein Set aus 3 Kameras mit Rot, Grün und Blau Filtern. Jede Kamera hatte zwei Linsen mit 50 und 350 mm Brennweite. Im Orbit entsprach dies einem Gesichtsfeld von 100 × 100 bzw. 1500 × 1500 km. Die Kameras belichteten zuerst Film, der dann entwickelt und abgetastet wurde. Ein Bild wäre in 1024 × 1024 Punkte zerlegt worden und es waren 160 Bilder pro Kamera möglich. Man erwartete Bilder von 200-500 m Auflösung vom Mars.

Weitere Experimente waren ein Radiometer, ein Wasserdampfdetektor, Ultraviolett- and Infrarot Spektrometer, einen Strahlendetektor, Gammastrahlenspektrometer. Ergänzt wurde dies durch Experimente zur Erforschung der Sonne und des interplanetaren Raumes: ein Wasserstoff/Helium Massenspektrometer, Sonnenwind Spektrometer, und ein Spektrometer für Ionen niedriger Energie.

Ein Lander von etwa 250 kg Gewicht sollte mitgeführt werden, jedoch Anfang 1969, als er hinter dem Zeitplan weit hinterherhinkte wieder entfernt. Für Mars 1969A war als Ankunftstermin der 11.9.1969 vorgesehen - Die Sonden starteten auf einer energetisch günstigeren Bahn um die Ankunftsgeschwindigkeit zu minimieren, brauchten dadurch länger als Mariner 6+7 um so zum Mars zu gelangen.

Jedoch gab es beim Start von Mars 1969A Probleme, die Turbopumpe der dritten Stufe fing Feuer und die Stufe explodierte 438 sec nach dem Start. Die Sonde schlug nahe des Altai Gebirges in Sibirien auf.

"Mars F" (3.3.1969)

Auch die wenige Tage später gestartete Schwestersonde erreichte nicht einen Orbit. Nach 2 Sekunden brach im Raketenteil ein Feuer aus, als eines der Triebwerke explodierte und die Rakete stürzte nahe des Startgeländes ab. Damit waren alle Hoffnungen zerstoben, vor 1971 den Mars zu erreichen und auch der 1969 geplanten Mondlandung ein ähnlich propagandistisch wichtiges Gegenstück präsentieren zu können.

Wären die Pläne geglückt, so wären die Sonden im September in eine 1740 × 34400 km Bahn eingeschwenkt, mit einer Inklination von 40 Grad zum Marsäquator. Diese erste Bahn mit 24 h Umlaufszeit wäre dann in eine Bahn mit 500-700 km Marsnähe geändert worden. Während einer 3 Monate dauernden Primärmission wären dann die Fotos vom Mars gewonnen worden.

Mariner 7 (27.3.1969)

Die Schwestersonde von Mariner 6 hatte auf dem Flug zuerst einige Probleme, so wurde die Batterie durch einen Mikrometeoritentreffer vollständig entladen, trotzdem absolvierte die Sonde ihr Messprogramm problemlos. Am 2.8.1969 übermittelte die Sonde die ersten Teleaufnahmen des Mars. Während der nächsten 57 Stunden wurden insgesamt 93 Teleaufnahmen gemacht, 2 Stunden vor der Passage am 5.8.1959 wurden dann 33 Nahaufnahmen durch die Weitwinkelkamera innerhalb von 74 Minuten gemacht und auf den Rekorder gespeichert. Es waren mehr Bilder geplant, jedoch reichte dazu die Kapazität des Rekorders nicht aus. Auf Aufnahmen von Mariner 7 konnte auch der Marsmond Phobos gefunden werden und seine Größe grob zu 22.8 × 17.6 km ermittelt werden. Die Kosten beider Missionen betrug 148 Millionen Dollar. Die Bilder, übermittelt zwei Wochen nach der ersten Mondlandung waren die zweite Raumfahrtsensation des Sommers 1969 nach der Mondlandung.

Mariner 8 (8.5.1971)

Mariner 8+9Für das 1971 Startfenster hatten sich die USA einiges vorgenommen. Auf Basis der Mariner 6+7 Sonden wurde ein Orbiter konstruiert, der im Prinzip die Struktur der Mariner 6+7 Sonden verwendete, jedoch mit moderneren Instrumenten und einem Bordcomputer ausgerüstet war. Ein Raketenantrieb mit den lagerfähigen Treibstoffen Hydrazin und Stickstofftetroxid sorgte für die Abbremsung in den Marsorbit um 1500 m/s. Damit die Atlas Centaur die nun mit 974 beziehungsweise 996 kg mehr als doppelt so schweren Sonden transportieren konnte, war man zum einen auf das günstige Startfenster von 1971 angewiesen, welches die niedrigste Startgeschwindigkeit für die nächsten 17 Jahre bot. Zum anderen wählte man eine Bahn mit längerer Reisedauer und dafür niedriger Startgeschwindigkeit und Ankunftsgeschwindigkeit.

Die Hälfte der Masse der Sonden machte das Antriebssystem aus, dass ein 1.3 kN Triebwerk mit 477 kg Treibstoff hatte. Nach der Ankunft wog Mariner 9 noch 574 kg. Durch die Verwendung der Mariner 6+7 Technik waren die Kosten für beide Missionen mit 137 Millionen USD niedriger als bei Mariner 6+7.

Ziel beider Sonden war eine Kartierung von 70 % des Mars mit einer Auflösung von 1 km. Dazu sollte Mariner 8 in eine elliptische Umlaufbahn mit dem niedrigsten Punkt über der nördlichen Marshemisphäre und Mariner 9 eine Umlaufbahn mit dem niedrigsten Punkt über der südlichen Marshemisphäre einschwenken. Die Daten wurden auf einen 180 Megabit Bandrekorder mit 132 Kbit/sec aufgezeichnet und zur Erde später mit 1-16 Kbit/sec übertragen. Ein neues digitales Kamerasystem verwendete zwar die Optik der Mariner 6+7 Sonden, aber lieferte kontrastreichere Bilder.

Auch das Infrarotradiometer und das Infrarotspektrometer wurden in verbesserter Form von Mariner 6+7 übernommen. Letzteres operierte im langwelligen Bereich und ergänzte so die Ergebnisse von Mariner 6+7. Ein Bordcomputer der 512 Worte à 22 Bit aufnahm (95 Kommandos), entlastete die Bodenkontrolle, da nun die Sonde erstmals selbstständig Kommandos durchführen konnte, auch ohne Funkkontakt zur Erde.

Der Start von Mariner 8 misslang jedoch. Durch eine Störung im Autopiloten schalteten sich die Triebwerke der Centaur aber nach einigen Sekunden ab. Trümmer der Rakete stürzten in Puerto Rico ab und töteten dort eine Kuh. Als Ursache wurde eine defekte Diode im Bordcomputer, im Werte einiger Cents ausgemacht.

Kosmos 419 (10.5.1971)

Mars 2+3 Lander

Die russischen Sonden des Jahres 1971 beruhten auf dem gemeinsamen Bus für Venus- und Marssonden. Wie frühere Busse konnte auch dieser entweder einen Lander oder eine Instrumentensektion mitführen. Da der Lander bei den Marssonden jedoch leichter war als bei den Venussonden und das 1971 Startfenster eine sehr hohe Nutzlast zuließ, startete man 1971 zwei Orbiter mit je einem Lander. Der Lander bot zudem die Möglichkeit wiederum eine Erstleistung zu erbringen, falls Mariner 8+9 vor den russischen Sonden den Mars erreichte.

Ursprünglich sollten die 1969 gestarteten Sonden die Daten liefern die man brauchte um letzte Korrekturen am Landeprofil durchzuführen, entschloss man sich einen weiteren Orbiter ohne Lander etwas vorher zu starten und ihn auf einer schnelleren Bahn zum Mars zu schicken. Er führte als Ausgleich mehr Treibstoff mit um die höhere Ankunftsgeschwindigkeit zu kompensieren.

Die später als Kosmos 419 bezeichnete Sonde ist dieser Orbiter. Diese Raumsonde intern "Mars 71S" genannt wog 4549 kg, davon waren 2385 kg Treibstoff und Druckgas. Dieser Orbiter und Mars 3 führten ein französisches Experiment mit.

Zur Untersuchung des Mars gab es mehrere Spektrometer und ein Kamerasystem. Dieses entwickelte Film an Bord und digitalisierte ihn später. Weitere Instrumente auf dem Bus untersuchten den interplanetaren Raum.

Die erste russische Sonde des 1971 Startfensters erreichte zwar eine Umlaufbahn um die Erde in 145 × 159 km Höhe, jedoch zündete dann die Oberstufe "Block D" der Proton nicht, und die Sonde verblieb im Erdorbit, wo Sie in Kosmos 419 umbenannt wurde. Zwei Tage später verglühte die Sonde beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Ursache war ein menschlicher Fehler. Für einen Zeitgeber von Block-D für die Zündung wurde die Startzeit verkehrt herum übertragen, d.h. das niedrigwertigste Bit war zum höchstwertigen Bit geworden. So war Block-D so programmiert worden, dass er nach 1.5 Jahren erneut zünden sollte, anstatt nach 1.5 Stunden.

Mars 2 (19.5.1971)

Mars 2+3 RaumschiffDer nächste Start jedoch klappte. Die Sonde erreichte problemlos den Mars. Als Startmasse wurden 4650 kg angegeben. Die Sonde bestand aus einem 1000 kg schweren Lander, der vor Eintritt in eine Marsumlaufbahn abgetrennt wurde und einem 3440 kg schweren Orbiter, der eine Marsumlaufbahn erreichen sollte. Der Lander wurde durch ein Feststofftriebwerk von der Bahn des Orbiters abgelenkt, so dass er den Mars erreichte, anstatt in eine Umlaufbahn einzutreten. Dann wurde er zuerst durch Fallschirme, dann durch Airbags und schockabsorbierende Schaumisolierung abgebremst. Der Lander selbst hatte einen Durchmesser von 1.2 kg und wog nach der Landung noch 358 kg, er war von einem 2.7 m großen Hitzeschutzschild umgeben. An der Außenseite des Landers war ein kleiner Rover angebracht, der mit einer 15 m langen Schnur mit der Sonde verbunden war und den Boden erkunden sollte. Die Arbeitsdauer des Landers war begrenzt, da er batteriebetrieben war. Der Orbiter war 5 m hoch bei einem zentralen Durchmesser von 2 m und einer Spannweite von 7 m.

An Instrumenten verfügte die Sonde über zwei Kameras mit Weitwinkel und Teleobjektiven, zwei Radiometer zur Bestimmung der Temperatur des Mars und des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre, 4 UV Photometer zur Bestimmung von Ozon, der Atmosphärendichte und der Zusammensetzung der Hochatmosphäre und Ionosphäre, Detektoren zum Nachweis von Ionen und Wasserstoff, einem Radioteleskop zur Bestimmung der Elektrizitätskonstante und Oberflächentiefe der Marsoberfläche, einem Magnetometer und einem Spektrometer zur Bestimmung der Kohlendioxid Menge und des Oberflächenreliefs.

Am 27.11.1971 wurde die Landekapsel abgetrennt und der Orbiter schwenkte in eine Umlaufbahn in Höhe von 1380 - 25000 km Höhe ein. Der Lander wurde jedoch in eine unvorhergesehene, steile Bahn gebracht. Als Folge versagte dann das Fallschirmsystem und er zerschellte auf der Oberfläche im Gebiet Hellas.

Der Orbiter arbeitete 271 Tage auf dem Mars, jedoch lieferte er im Vergleich zu Mariner 9 nur wenige Daten. Ein Grund dafür war wohl die mangelnde Flexibilität des Programms. Als Mars 2 seine Arbeit aufnahm, tobte ein globaler Staubsturm, der jede Sicht auf den Planeten verschleierte. Mars 2 machte nur wenige Bilder, die kaum Details der Oberfläche durch den Sandsturm zeigten. Als sich der Sturm legte, war der Film schon verbraucht. Bei Mars 2 fiel zudem ein Kanal, der die meisten wissenschaftlichen Daten übertragen sollte, sehr früh in der Mission aus. Im Juli 1972 verlor man innerhalb weniger Tage den Kontakt zu beiden Orbitern.

Mars 3 (28.5.1971)

Mars 2+3 GesamtbildAuch der Start der dritten Sonde, Mars 3 gelang. Die Sonde schwenkte am 2.12.1971 in eine Umlaufbahn ein, 15 Minuten vorher war die Landekapsel abgetrennt worden. Die Landesonde wurde zuerst über einen Fallschirm abgebremst, dann 12 m über dem Boden wurde der Fallschirm abgetrennt und der Rest im freien Fall zurückgelegt und die Restenergie durch Airbags und Schockabsorber aufgenommen. 90 Sekunden nach der Landung begann die Landesonde mit der Übertragung des ersten Bildes vom Mars, brach aber 20 Sekunden später die Übertragung ab und verstummte danach. Es wurden lediglich einige Zeilen des Bilds zur Erde übertragen.

Was mit der Landesonde passierte ist bis heute unklar. Am wahrscheinlichsten ist, dass die Sonde die nach Mariner 9 Aufnahmen in einem besonders stürmischen Gebiet landete, von dem Staubsturm umgeworfen wurde. Eventuell ist auch der in 12 m Höhe abgetrennte Fallschirm auf die Sonde gefallen. Sowjetische Wissenschaftler vermuten, dass der Lander korrekt arbeitete, aber der Staub elektrische Entladungen in der Atmosphäre erzeugt hat, welche den Funkkontakt verhinderten.

Auch der noch 220 Tage im Orbit arbeitete Orbiter erreichte eine unplanmäßige Umlaufbahn mit einer Marsentfernung von 1500 - 190700 km. Durch die große Entfernung kam er nur alle 11 Tage dem Mars nahe. Ein französisches Experiment an Bord erlaubte den Nachweis von Ionen in großer Höhe über dem Mars. Er lieferte vom Januar bis März 1972 eine größere Datenmenge, danach nahm diese ab. Die Mission beider Sonden wurde offiziell am 22.8.1972 für beendet erklärt. Da man mit den USA einen Datenaustausch vereinbart hatte, gibt es heute einige Aufnahmen von Mars 3 im NASA Archiv, sie sind jedoch von schlechter Qualität.

Mariner 9 (30.5.1971)

Nach drei hektischen Wochen am Cape startete die Schwestersonde von Mariner 8 zum Mars. Inzwischen waren Korrekturen am Autopiloten vorgenommen worden und die Sonde war mit 974 kg auch etwas leichter als ihre Schwester. Diesmal lief alles glatt. Jedoch verlor die Sonde durch ein Leck laufend kleine Mengen an Lagekontrollgas, so das die Zeit im Orbit verkürzt sein würde. Während des Fluges zum Mars wurde das Programm soweit umgestellt, das durch spätere Änderungen in den Orbits der Sonde Mariner 9 auch die Gebiete aufnehmen konnte, die für Mariner 8 vorgesehen waren.

Am 14.11.1971 schwenkte die Sonde nach einem 15 Minuten dauernden Abbremsen als erster künstlicher Marssatellit in einen Orbit ein. Erste Aufnahmen zeigten jedoch, das der gesamte Mars mit einem globalen Staubsturm überzogen war und die Aufnahmen keinerlei Details zeigten. So wartete man ab und machte einige Bilder der Marsmonde Deimos und Phobos. Damit hatte man erstmals Nahaufnahmen von Monden eines anderen Planeten gewonnen (zugleich auch die ersten Detailaufnahmen von Asteroiden). Anfang 1972 hatte sich der Marssturm soweit gelegt, dass die globale Kartierung beginnen konnte. Bis zum 27.10.1972, als das Gas für die Lageregelung erschöpft war machte die Sonde 7329 Bilder des Mars. Der gesamte Planet konnte mit 1 km Auflösung kartiert werden, darüber hinaus wurden etwa 1 % der Oberfläche mit einer Auflösung von 100 m erfasst.

Die anfängliche Bahn von 1397 × 17916 km wurde zweimal geändert und lag zuletzt bei 1653 × 16915 km und 12 Stunden Umlaufzeit. Während eines Tages (2 Umläufe) wurden 21 Stunden lang maximal 32 Bilder aufgenommen und dann in 3 Stunden zur Erde übermittelt. Insgesamt sendete die Sonde 54 Gigabit an Informationen vom Mars. Zu Ehren der erfolgreichen Sonde wurde der von Ihr entdeckte, Graben auf dem Mars "Valles Marineris" getauft. Für die kommende Viking Mission war wichtig, dass man nicht nur die Oberfläche kartiert hatte sondern nun auch über ausreichend präzise Druck- und Temperaturinformationen von der Atmosphäre hatte, die man für die Konstruktion des Landesystems benötigte. Mariner 9 übertraf nicht nur die dreimonatige Arbeitsdauer im Orbit bei weitem, sie konnte auch das gesamte Messprogramm ihrer ausgefallenen Schwestersonde mit übernehmen.

Mars 4 (21.7.1973)

Mars 4+5 OrbiterWohl wissend, dass für 1975 die amerikanische Viking Mission angesetzt war, die auf dem Mars landen sollte, wurden 1973 eine ganze Reihe von sowjetischen Raumschiffen zum Mars entsannt. Da Mars nun nicht mehr so günstig wie 1971 stand, musste man mit einer geringeren Startmasse auskommen und trennte so die Starts in 2 Lander und 2 Orbiter auf. Bei den Landern hatte der Bus keinerlei Treibstoff an Bord und konnte so nicht in eine Umlaufbahn einschwenken, sondern flog am Mars vorbei.

Den Anfang machte Mars 4, ein Orbiter. Erstmals gelangen alle 4 Starts der Sonden. Die beiden Orbiter Mars 4+5 starteten vor den Landern, damit sie als Kommunikationsrelais arbeiten konnten.

Einige Monate vor dem Start stellte man bei einem Test der Stromversorgung einer der Sonden einen Totalausfall fest. Als man diese auseinander nahm, war die Ursache eine Kontaktkorrosion an Transistoren des Typs 2T-312. Die Stromversorgung enthielt sehr viele dieser Transistoren, aber auch in anderen Systemen kamen sie vor. Ein Besuch in dem Herstellungswerk ergab, dass man vor 2 Jahren die Produktion umgestellt hatte. Um Gold zu sparen, hatte man die Kontakte aus Aluminium gefertigt. Ein Test ob diese nicht Probleme machen würden, gab es nicht. Eine Untersuchung ergab, das nach etwa 18-24 Monaten die Ausfallwahrscheinlichkeit der Transistoren rapide ansteigt und es nur eine 50:50 Chance gab, dass eine Sonde den Mars erreichen kann. Eine Umstellung der Produktion dauerte jedoch mindestens 6 Monate und so plädierten die Projektverantwortlichen den Start um 2 Jahre zu verschieben. Im Politbüro entschied man jedoch anders, um einen propagandistischen Erfolg verbuchen zu können.

Die beiden Orbiter basierten im wesentlichen auf der gleichen Grundeinheit wie Mars 2+3, analoges galt für die Lander. Es entfielen jedoch die schweren Lander und so betrug die Startmasse nur noch 3444 kg. An Bord der beiden identisch instrumentierten Orbiter befanden sich 2 TV Kameras für Weitwinkel und Detailaufnahmen, Die Weitwinkelkamera hatte 52 mm Brennweite und ein Gesichtsfeld von 35.6°. Die Telekamera eine Brennweite von 350 mm und ein Gesichtsfeld von 5.67°. Beide Kameras hatten ein Sensorfeld von 22 × 23.5 mm welches abgetastet wurde. Es konnte in 1000 × 1000 und 2000 × 2000 zerlegt werden. Die Bilder gelangten durch Rotfilter und hatten Auflösungen von 100 bzw. 1000 m. Ein weiteres abbildendes System arbeitete mit einem Scanner. Es hatte eine Breite von 30° und sollte Streifen von der Oberfläche gewinnen. Dieses war empfindlich vom sichtbaren bis in den IR Bereich. Erstmals wurde bei einer sowjetischen Raumsonde kein fotografischer Film verwendet.

Ein Infrarot Radiometer, UV und Teilchenspektrometer und Magnetometer, ein französisches 256 Kanal Gammastrahlenspektrometer und Lyman A Photometer befand sich ebenfalls an Bord der beiden Orbiter. Mars 4 sollte auch die Daten der Landesonde von Mars 6 aufnehmen und zur Erde senden.

Der Orbiter Mars 4 startete am 21.7.1973. Das erste Manöver zur Kurskorrektur am 30.7.1973 gelang noch, doch dann fielen 2 der 3 Kanäle des Computers durch die fehlerhaften Transistoren aus. Ein zweites Kurskorrekturmanöver war damit nicht mehr möglich. Dadurch war die Sonde zu weit entfernt vom Mars, als sie diesen am 10.2.1974 in 1844 km Entfernung passierte. Auch das Triebwerk war nicht mehr zündbar, durch den weitgehenden Ausfall des Computers. Die Instrumente waren von diesem unabhängig. So gelang es einige Messungen beim Vorbeiflug zu machen. Das Bedeckungsexperiment konnte zum ersten Mal eine Ionosphäre auf der Nachtseite nachweisen. Die Kamera konnte während 6 Minuten einen Bildzyklus durchlaufen und machte 12 Aufnahmen, davon 2 Panoramas. Diese wurden zur Erde übertragen. Mars lenkte die Sonde in eine Sonnenumlaufbahn mit einem sonnennächsten Punkt von 1.03 Astronomischen Einheiten (AE) und einem sonnenfernsten Punkt von 1.62 AE um. Dort wurden weitere Messungen der Teilchenstrahlung und kosmischen Strahlung gemacht.

Mars 5 (25.7.1973)

Der zweite Orbiter, Mars 5 startete am 25.7.1973. Nach zwei Kurskorrekturen am 3.8.1973 und 2.2.1974 gelangte er planmäßig am 12.2.1974 in einen 1760 × 32586 km hohen Orbit. Die Inklination betrug 35.3 Grad. Die Umlaufperiode betrug 24 Stunden 53 Minuten. Zwar gab es keine Probleme mit der Elektronik, doch man entdeckte, dass der Orbitteil Druck verlor. Wahrscheinlich hatte ein Teilchen die Wand durchschlagen. Ohne Druck im Orbitteil würde aber der Sender versagen. Man rechnete aufgrund des Druckverlustes mit einer Lebenszeit von 3 Wochen. Die gesamte Elektronik der Sonden befand sich in einem zentralen Zylinder, der unter einer Atmosphäre wie auf der Erde stand, arbeitete also wie unter Erdbedingungen und war nicht für den Betrieb im Vakuum ausgelegt. Insbesondere arbeiteten Kühler mit Luft als Medium, welches Wärme an Kühlschlangen abgab.

Man beschleunigte daraufhin das wissenschaftliche Programm. Während 22 Orbits gewann Mars 5 Daten. Bei jedem Durchlaufen der Periapsis konnten 12 Bilder nacheinander aufgenommen werden. Zuerst wurden die Bilder im 220 Zeilen Verfahren ausgelesen, dann die einzelne Bilder im 880 und 1760 Zeilenmodus übertragen. Darunter waren Fotos die den Südteil des Valles Marineris zeigten und ein Gebiet von 5° Nord, 330 ° West bis 20° Süd, 120 ° West. Sowie von -30 bis -40° Süd von 60° Ost bis 0°. Über die Menge der Fotos gibt es Widersprüche, es sollen zwischen 34 und 105 gewesen sein. Die Qualität der veröffentlichten Fotos entspricht in etwa der von Mariner 9. Weitere Experimente lieferten Höhenprofile der gleichen Region, Daten über das lokale Vorkommen von Wasserdampf. Höhenprofile der Atmosphäre, Daten über das Vorkommen der Elemente Uran, Thorium und Kalium. Man fand auch Hinweise auf ein sehr schwaches Magnetfeld (maximal ein Dreihundertstel des der Erde). Am 28.2.1974 kam der letzte Kontakt zustande, danach versagte der Sender wegen des Druckverlusts.

Mars 6 (5.8.1973)

Mars 6+7Mars 6, der erste Lander startete am 5.8.1973. Wenige Tage nach dem ersten Kurskorrekturmanöver am 13.8.1973 fielen ein Telekommunikationskanal des Senders wegen eines defekten Transistors aus. Der OnBoard Computer stabilisierte die Raumsonde selbstständig, doch auf der Erde erfuhr man nichts mehr von ihr. Die gesamte Telemetrie von der Sonde war weggefallen, übrig blieben nur der Kanal zur Feststellung der Position über Dopplerverschiebung und die Empfangskanäle für Kommandos.

Erstaunlichweise absolvierte Mars 6 das Manöver zur Abtrennung des Landers und die Landung trotzdem autonom. Die Landung erfolgte am 12.3.1974 als letzte der vier Sonden. In 48000 km Entfernung von dem Mars wurde der Lander abgetrennt. Er trat 3 Stunden später in die Atmosphäre ein. In 20 km Höhe öffnete sich bei 600 m/s Geschwindigkeit der Fallschirm und die Instrumente begannen Daten zu sammeln. Die Daten zeigten, das der Lander sehr stark an seinem Fallschirm hin und her schwang.

Unmittelbar vor dem Aufsetzen auf der Oberfläche, verstummte der Lander. Man weiß nicht ob er zu hart aufgeschlagen ist (Die Geschwindigkeit vor Zündung der Raketentriebwerke betrug 61 m/s), das Übertragungssystem ausfiel oder der Lander in rauem Gebiet umkippte oder zerstört wurde. Die Landestelle lag bei 23.19 Grad Süd und 19.25 Grad West in einem Gebiet dass auf Viking Aufnahmen durchsetzt von V förmigen Einschnitten ist.

Die Daten wurden über den in 1600 km Entfernung am Mars vorbei fliegenden Bus übertragen, doch durch dessen defekten Übertragungskanal waren diese weitgehend unlesbar. Mars 6 hatte 224 Sekunden lang Daten über die Atmosphäre geliefert. Sowjetische Forscher versuchten die Daten zu rekonstruieren und veröffentlichten später, dass das Massenspektrometer einen Gehalt von 25-45 % Argon festgestellt hatte. Das brachte das Viking Team in Aufregung, denn das hätte Auswirkungen auf die Viking Landemission gehabt. Es zeigte sich später, dass dies aber keine echten Messungen waren (Die Daten des Massenspektrometers waren auf dem Lander gespeichert worden und damit verloren), sondern eine Schlussfolgerung aus der Tätigkeit der Pumpe, die nicht das Vakuum herstellen konnte, was auf größere Mengen eines inerten Gases schließen ließ. Dieser Schluss war falsch. Es gibt nur 1.6 % Argon in der Marsatmosphäre.

Mars 7 (9.8.1973)

Mars 4/7Mars 7 startete am 9.8.1973 als letzter des Quartetts. Am 16.8.1974 gab es das einzige Kurskorrekturmanöver. Durch die defekten Transistoren blieb bald darauf nur noch ein Kommunikationskanal zu der Sonde. Am 9.3.1974 sollte der Lander abgetrennt werden. Er tat dies jedoch 4 Stunden zu früh, wahrscheinlich durch auch beim Lander ausgefallene Elektronik. Dadurch flog er 1300 km am Mars vorbei Er sollte bei 50° Süd, 28° West landen.

Die Sonde erreichte einen Orbit um die Sonne von 1.02 × 1.67 AE Entfernung mit 567 Tagen Umlaufzeit. Die Flugteile von Mars 6+7 enthielten auch ein instrumentelle Nutzlast. Ein Telephotometer sollte Aufnahmen des Mars machen. Ein Lyman-Alpha Detektor sollte nach Wasserstoff in der oberen Atmosphäre suchen. Ein Magnetometer war ebenso dabei wie eine Ionenfalle und ein Plasmadetektor. Die letzten beiden Instrumente sollten vor allem den Sonnenwind und die Interaktion dessen mit dem Mars untersuchen. Zur Erforschung des interplanetaren Raumes dienten Mikrometeoritendetektoren, ein Gerät zur Messung von langwelligen Radioemission von Frankreich und ein Detektor für kosmische Strahlen.

Die Abstiegsmodule enthielten für den Bodenbetrieb ein Telephotometer, Geräte zur Messung von Wind, Dichte und Atmosphärentemperatur. Dazu kamen Sensoren um die Dichte und Struktur der Oberfläche zu bestimmen. Während des Abstiegs bestimmte ein Accelometer die Dichte der Atmosphäre. Ein Massenspektrometer machte Untersuchungen der chemischen Struktur der Atmosphäre. Ein Radar Altimeter bestimmte die Höhe über dem Boden und steuerte die Landung.

Viking 1 (20.8.1975)

Viking OrbiterDie bisher komplexesten Sonden zum Mars starteten die Amerikaner 1975. Jede Viking Sonde bestand aus einem Orbiter und einem Lander. Im Gegensatz zu den Sowjets wurden beide zuerst in einen Marsorbit eingebremst, wo die Orbiter zuerst nach einem geeigneten Landeplatz Ausschau hielten. Das ganze Programm war mit Kosten von 914.5 Millionen Dollar das bis dahin teuerste unbemannte Weltraumunternehmen. (Und ist es gemessen an der damaligen Kaufkraft des Dollars bis heute)

Jeder Orbiter hatte eine Startmasse von 2328 kg und eine Trockenmasse von 883 kg. Seine Nutzlast bestand nur aus 3 Experimenten: Einer gegenüber Mariner 8+9 stark verbesserten TV Kamera mit 2 Teleskopen von je 475 mm Brennweite und einem Blickfeld von 1.5 × 1.7 Grad mit 1182 × 1056 Pixels Auflösung (7 Bits pro Bildpunkt), einem 28 Kanal Infrarotradiometer im Bereich 0.3-24 µm und einem Infrarot Spektrometer zur Messung des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre. Die Viking Mission war vorwiegend eine Landermission und so verfügten die Orbiter nur über 3 Experimente. Neben der Unterstützung der Lander durch Übertragung deren Daten war die Hauptaufgabe der Orbiter die Kartierung des Mars und die Bestimmung von jahreszeitlichen Veränderungen in der Atmosphäre.

Die Datenverarbeitung besorgten 2 Computer mit je 8 KByte Hauptspeicher, die Daten konnten mit bis zu 2112 Kilobit/sec auf zwei 640 Megabit Bandlaufwerke geschrieben werden.

Viking Orbiter Instrumente Die 1200 kg schweren Lander (Leergewicht 576 kg, Landegewicht 605 kg), waren in einer 3.6 m großen mehrteiligen Hülle verpackt, die unten durch den Hitzeschutzschild abgeschlossen war. Durch den Hitzeschutzschild konnten einige an der Innenseite des Schildes befestigte Experimente schon während des Abstiegs durch die Atmosphäre Messungen machen: Ein Verzögerungskanal Ionisator maß Dichte und Art von Ionen und Elektronen in der Ionosphäre und Hochatmosphäre, ein Massenspektrometer untersuchte die Zusammensetzung von neutralen Teilchen in über 100 km Höhe und ab 90 km Höhe wurde der Staudruck und die Temperatur gemessen, woraus Dichte, Temperatur und Druck errechnet werden konnten.

Der Lander selbst verfügte über die meisten Experimente. Zwei Kameras arbeiteten mit einer lichtempfindlichen Photodiode, die 0.04 Grad Auflösung hatte und Schwenks über 342.5 Grad horizontal und 100 Grad Vertikal erlaubte. Ein Gaschromatograph untersuchte die Zusammensetzung von Bodenproben und der Gase die beim biologischen Experiment freigesetzt wurden. Ein Massenspektrometer untersuche ebenfalls die Gase des Biolabors aber auch nach Pyrolyse organische Materie in Gesteinen. Das Röntgenfluoreszenzspektrometer konnte die anorganischen Bestandteile durch Bestrahlung mit Röntgenteilchen untersuchen. Die Meteorologiestation an einem Ausleger, maß laufend Temperatur, Druck, Windrichtung und Geschwindigkeit. Das Seismometer suchte nach Anzeichen von Marsbeben oder Erschütterungen. Am Greifer montierte Magnete erlaubten Rückschlüsse auf die magnetischen Eigenschaften des Bodens. Die Aufnahme der Spuren des Greifers beim Graben wiederum erlaubte Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens. Über die Abschwächung und Frequenzänderung des Signals zur Erde und zum Orbiter wiederum konnten die Hochatmosphäre des Mars erforscht werden.

Viking LanderAm interessantesten war das nur 15 kg schwere Biolabor, das aus einigen Versuchskammern mit Heizelementen und Vorrichtungen zur Zugabe von Gasen und Flüssigkeiten bestand. Der Greifer sammelte Material und füllte es in die Versuchskammern, wo es unter bestimmten Bedingungen bebrütet wurde und dann die freiwerdenden Gase durch den Gaschromatograph oder das Massenspektrometer untersucht wurde. In drei Experimenten suchte man nach Nachweisen über die Assimilation von radioaktiv markiertem Kohlenstoff (Photosyntheseexperiment), nach der Aufnahme von organischen Substanzen aus einer Nährsuppe (Stoffwechselexperiment) und nach der Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre durch die Tätigkeit von Leben (Gasaustauschexperiment).

Die Energieversorgung übernahmen zwei Thermoelemente des Typs SNAP 13 mit jeweils 35 Watt Leistung. Bei einem typischen Wirkungsgrad von 4-5 % produzierten diese nuklear angetriebenen Thermoelemente auch genügend Wärme um den Lander vor Auskühlung zu schützen.

Der Bordcomputer bestand aus einem primären Rechner mit 36 KByte Hauptspeicher und einem Reserverechner mit 16.4 KByte Hauptspeicher. Als Datenspeicher diente ein Bandlaufwerk mit 40 Megabit Kapazität. Als erstes Raumfahrzeug war der Viking Lander weitgehend autonom. Der primäre Rechner konnte für 22 Tage das Messprogramm zwischenspeichern.

Die Orbiter selbst übernahmen auch den Datentransfer vom Lander zur Erde, der dann mit höherer Datenrate erfolgte. Er konnte aber auch direkt erfolgen. Der Start eines Viking Strukturmodells am 11.2.1974 mit der neu entwickelten Titan 3E Centaur scheiterte, der Start von Viking 1 erfolgte aber nach 9 Tagen Verzögerung am 20.8.1975.

Am 19.6.1976 schwenke der Orbiter in eine erste 1500 × 49600 km Umlaufbahn um den Mars ein, die am gleichen Tag in eine 1500 × 32797 km Bahn geändert wurde. Damit war der Orbiter zu einem synchronen Marssatelliten geworden und die Bahn stand über einem Punkt des Mars fest. Nun begann die Suche nach einem Landeplatz, der sowohl tief liegen musste (für die Fallschirmabbremsung) wie auch ohne größere Felsbrocken. Eine Reihe von Landeplätzen musste aufgegeben werden, da die Bilder des Orbiters mit 40 m Auflösung zwar ebenes Gelände zeigten, Radaraufnahmen der Erde aus, aber größere Bodenunebenheiten anzeigten.

Am 20.7.1976, genau 7 Jahre nach der ersten bemannten Mondlandung landete der Lander auf dem Mars. Dabei wurde nach Abtrennung vom Orbiter zuerst die Bahn so abgesenkt, das der niedrigste Punkt beim Mars lag. Der Lander wurde abgetrennt und der Orbiter hob die Bahn dann wieder an. In 6 km Höhe wurde ein Fallschirm geöffnet, der die Geschwindigkeit von 1090 auf 220 km/h reduzierte. In 1430 m Höhe wurde der Fallschirm abgeworfen und durch Raketenantriebe weiter abgebremst. Die Landgeschwindigkeit betrug 8.7 km/h, die Steuerung der Triebwerke wurde durch den Bordcomputer und einem Bodenabstandsradar durchgeführt.

Das Landegebiet war die Chryse Ebene. Geeignete Gebiete mussten für die Landung möglichst tief liegen, damit die Fallschirme bei nur wenige Millibar Außendruck (demselben wie auf der Erde in 25 km Höhe) den Fall noch wirksam abbremsen können.

Der Lander selbst übermittelte zuerst ein Bild der Füße um festzustellen ob er im Boden versank und nahm dann seine Arbeit auf. Die auf nur 60 Tage ausgelegte Primärmission wurde mehr als übertroffen. Bis zum 30.8.1977 wurden biologische Experimente durchgeführt. Ab August 1979 wurde das Programm nur mit geringer finanzieller Unterstützung durchgeführt, so dass man den Lander nur noch einmal pro Woche kontaktierte. Im November 1982, mehr als 6 Jahre nach der Landung antwortete der Lander nicht mehr. Bis dahin hatte er über 2300 Fotos zur Erde übertragen. Schuld für den Ausfall waren wahrscheinlich falsche Befehle an den Lander, so das die Kommunikationsantenne nicht mehr zur Erde zeigte.

Der Orbiter selbst übernahm die Kommunikation mit dem Lander und führte seine Messungen aus. Später übernahm er auch die Datenübertragung von Viking Lander 2. Da die Lebensdauer des Orbiters von dem Gasvorrat zur Lageregelung abhing, nützte ihm der relativ große verbliebene Treibstoffvorrat nichts um die Lebensdauer zu verlängern. Am 7.8.1980 waren diese erschöpft und der Orbiter wurde abgeschaltet. Er hatte die 90 Tage dauernde primäre Mission um ein vielfaches übertroffen. Der Viking Orbiter 1 hat in dieser Zeit insgesamt über 37000 Fotos des Mars übertragen.

Viking 2 (9.9.1975)

Viking LanderDie zweite Sonde der Viking Doppelmission startete am Ende des Startfensters mit der fünften Titan 3E Centaur. Der Viking Orbiter 2 schwenkte am 7.8.1976 in seine Umlaufbahn ein. Die Ankunft der beiden Orbiter war so ausgelegt, dass Viking 2 erst zwei Monate nach Viking 1 ankam, als der Lander schon auf dem Mars gelandet war. Dadurch konnte man sich voll der Suche nach einem Landeplatz für den Lander 2 widmen. Man bestimmte einen Landeplatz in dem Utopia Becken, wie bei Viking Lander 2 km unter Normal Null um die Fallschirme besser nutzen zu können. Am 4.9.1976 erfolgte die Landung des Landers, der in einem wesentlich rauheren Gebiet aufsetzte als der Lander 1. Gleichzeitig landete er wesentlich weiter nördlich. Dies war auch deutlich an den tieferen Temperaturen zu bemerken. Die Lebensdauer war dadurch kürzer als die des Landers von Viking 1. Die Kommunikation brach am 11.4.1980 ab. Bis dahin hatte er 2250 Fotos zur Erde übermittelt.

Auch der Orbiter hatte mit einem Problem zu kämpfen: Ein Leck in den Druckgastanks führte zu einer verringerten Lebensdauer. Trotz vieler Bemühungen musste der Orbiter 2 am 27.7.1978 abgeschaltet werden, man nutzte jedoch den Treibstoff der Tanks um die Bahn auf bis zu 300 km an den Mars heranzuführen und so noch schärfere Bilder zu gewinnen und auch nahe Vorbeiflüge an den Marsmonden Phobos und Deimos durchzuführen. Insgesamt 19000 Fotos lieferte der Orbiter 2 vom Mars und seinen Monden.

Beide Orbiter hatten insgesamt 56000 Fotos gemacht und die Genauigkeit der Marskarten auf 100-200 m verbessert, die Lander übermittelten insgesamt 4500 Fotos, die über mehrere Marsjahre die auch deutliche jahreszeitliche Veränderungen zeigten. Mehr über die Viking Sonden auf einer eigenen Seite in dieser Web Site.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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