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Kaum warten die ersten Satelliten gestartet, machten sich die USA und die UdSSR schon zum nächsten Himmelskörper auf: Dem Mond. In dieser frühen Phase ging es vornehmlich darum der erste zu sein. In diesem Wettlauf gelang es der Sowjetunion wiederum prestigeträchtig der erste zu sein. Es gelang ihr der erste Mondvorbeiflug, der erste Aufschlag auf dem Mond und die ersten Bilder der Mondrückseite zu gewinnen. Auch hier mussten die USA mit ihren Pioneer Sonden den kürzeren ziehen.
Die nächste Phase war auf Seiten der USA das Able Programm. Dieses hatte das Ziel einen 127 kg schweren Orbiter in eine Mondumlaufbahn zu platzieren. Doch durch die noch unausgereifte Atlas Trägerrakete scheiterten alle Starts dieses Programms. Danach begann bei den USA eine Phase der Konsolidierung. Anstatt hektisch eine Sonde nach der nächsten zum Mond zu schicken, wollte man dessen Erforschung systematisch vorantreiben. Da sich die Sowjets nun auf eine unbemannte Mondlandung konzentrierten, war auch der Druck erster zu sein, genommen.
Man überlegte wie die nächsten Schritte auf den Mond aussehen könnten und kam auf 4 mögliche Programme steigender Komplexizität:
Man entschied sich für die zweite Option, aus der dann das Projekt Ranger hervorging. Trägerrakete sollte die Atlas-Vega sein. Eine Atlas mit einer noch zu entwickelten Vega Oberstufe. Nachdem die Air Force mit der Agena Oberstufe eine schon eingeführte Oberstufe mit ähnlichen Leistungen wie die Vega hatte, wurde die Atlas-Agena als Trägerrakete gewählt.
Am 21.12.1959 propagierte Silverstein das Projekt Ranger. Es sollte 5 Flüge zwischen 1961 und 1962 umfassen. Die Raumfahrzeuge sollten auf der Mondoberfläche aufschlagen und dabei hochauflösende Fotographien machen. Das gesamte Programm inklusive Flugqualifikation der Atlas-Agena B Trägerrakete, Entwicklung der Raumsonden, ihrer Instrumente und der Kommunikationsinfrastruktur um aus Mondentfernung in rascher Folge Fernsehaufnahmen empfangen zu können sollte in 36 Monaten abgeschlossen werden. Projektmanager war William Pickering, Leiter des JPL, das auch die Raumsonden baute. Er taufte das Programm auch auf seinen Namen: So hieß auch sein Hund.
Die Konzeption von Ranger war durchaus modern: Anstatt für jede Mission ein neues
Raumfahrzeug zu entwickeln, sollte ein universelles Raumfahrzeug entwickelt werden. Dahinter
steckte die Erkenntnis, dass eine Raumsonde und eine Mondsonde im Prinzip diesselben Systeme und
Aufgaben haben. Sie unterscheiden sich lediglich in der Instrumentierung. So dachte man an eine
gemeinsame Sonde, die zu Venus oder Mars fliegen könnte und zum Mond. Auf Basis der Ranger Block
I Sonden wurden die Mariner 1+2 Sonden entwickelt.
Als man an Ranger heranging dachte man noch an eine andere Trägerrakete, die Atlas-Vega. Die Vega Oberstufe wäre wie die Agena-B Oberstufe eine lagerfähige Oberstufe gewesen. Deren Nutzlast würde 205 kg zur Venus und 360 kg zum Mond betragen und daher wurde als Limit für die ersten Ranger Sonden eine Gesamtmasse von 360 kg festgelegt. Nach einem dreiviertel Jahr und 17 Millionen USD, die schon in das Vega Projekt geflossen waren, kam von oberster Stelle das Aus: Präsident Eisenhower hatte Doppelentwicklungen verboten. Daher übernahm die NASA die schon entwickelte Agena Oberstufe der Air Force.
Im Frühjahr 1960 wurde festgelegt, dass es zuerst 5 Ranger Flüge geben würde. Die ersten beiden sollten das Raumschiff in einem Erdorbit testen. Diese hatten vor allem Experimente an Bord welche die solare und kosmische Strahlung maßen. Diese Sonden waren die Block I Sonden.
Die folgenden drei Flüge zum Mond sollten eine Kapsel mitführen die den Aufprall widerstehen sollte. Sie führte ein Seismometer mit sich. Dazu kam ein Gammastrahlenspektrometer und eine TV Kamera. Dies waren die Block II Sonden.
Beide Sonden hatten den gleichen Aufbau, jedoch unterschieden sich Experimente und auch das Gewicht der Subsysteme stark.
Die Block I Sonden sollten das Konzept validieren: Ziel war es folgende Systeme
zu testen:
Daneben war es auch die Aufgabe die Atlas Agena B als Träger für Planetensonden zu qualifizieren. Dazu sollte diese die beiden Block I Sonden in einen stark elliptischen Orbit mit bis zu 1 Million km Erdferne befördern. Dies nützte man aus um die Sonde mit Experimenten zu bestücken, welche die Umgebung der Erde erforschen sollten.
Dazu bestand Ranger Block I aus folgenden Subsystemen:
| System | Gewicht |
| Struktur + Mechanik | 60.8 kg |
| Elektrik und Kommunikation | 27.0 kg |
| Stromversorgung | 105 kg |
| Lagekontrolle | 11 kg |
| Controller (Timer) | 4.4 kg |
| Kabel | 33.4 kg |
| Reibungsexperiment | 9.5 kg |
| Experimente am Mast | 51.2 kg |
| Verbrauchsmaterialen | 4.4 kg |
| max. Startgewicht | 306.7 kg |
Die Sonden verfügten über eine 53.5 kg schwere Silber-Zink Batterie mit 9000 Wattstunden Kapazität. Diese war allerdings nicht wieder aufladbar. Es gab 2 analoge Kanäle für Statusdaten, dazu 4 digitale, 2 analoge und ein Spezialkanal für wissenschaftliche Daten. Zu dem 3 Watt Sender kam ein sekundärer Sender mit 0.25 Watt Leistung hinzu.
Die Sonde sollte nach einem möglichen Wasserstoffgasschweif der Erde suchen. Dazu kam die Vermessung des Erdmagnetfeldes. Die weiteren Detektoren sollten die Art und Menge verschiedener kosmischen Strahlen bestimmen. Ein technisches Experiment war das "Friction" Experiment: Es stellte den Reibungskoeffizient verschiedenere rotierender Metallscheiben im Vakuum fest. Dies sollte Daten für zukünftige Lager liefern. Folgende Experimente waren an Bord der Ranger Block I Sonden:
Das letzte Experiment ist Vorläufer einer Serie von Kleinsatelliten des DoD (Vela Hotel). Denn wie man später erkannte, verursachen Atomexplosionen einen charakteristische Röntgenstrahlungsverlauf den man im Weltraum nachweisen kann. So konnten Atomtests der UdSSR überwacht werden.
Ziel war es die Ranger Block I Sonden mit einer Atlas-Agena B in einen
hochelliptischen Orbit mit 820.000 km Erdferne zu befördern. Dieser Orbit reicht über die
Mondumlaufbahn heraus, die bei 384400 km Entfernung von der Erde liegt. Da Ranger Block I
leichter als der Block II war und man die Inklination nicht änderte, war dies möglich. Die Agena
B Oberstufe musste dazu zweimal zünden. Zum ersten Mal um einen Parkorbit in etwa 140-170 km Höhe
zu erreichen und dann ein zweites Mal um diesen in eine lang gestreckte Ellipse zu erweitern.
Am 22.8.1961 startete Ranger 1 vom Cape. Man wartete auf das Signal der Sonde, doch es kam zuerst keines an. Erst 90 min nach dem Start hatte man Kontakt mit der Sonde. Ranger 1 hatte sich zwar korrekt von der Agena getrennt und seine Solarzellen entfaltet und sich selbst auf die Sonne ausgerichtet, aber es war in einer falschen Bahn.
Anstatt in einem lang gestreckten Orbit mit 820.000 km Erdferne, war Ranger 1 in einem 168 x 501 km hohen Erdorbit. Die Agena Stufe hatte zu früh abgeschaltet. In diesem Orbit konnte man Ranger 1 kaum anfunken, denn sie bewegte sich mit hoher Geschwindigkeit und war nur jeweils kurz über dem Horizont. Viel schlimmer war jedoch, dass Ranger 1 bei jedem Orbit in den Erdschatten eintrat. Sie verlor die Orientierung und musste sich beim Eintritt in die Tagseite neu ausrichten. Das verbrauchte in hohem Maße den Stickstoff für die Lageregelung. Schon am 24.8.1961 war er erschöpft und Ranger 1 konnte nicht mehr stabil ausgerichtet werden. Dadurch verlor sie auch die Stromversorgung durch die Solarzellen, da diese nun nicht mehr beschienen wurden. Für 3 Tage lang bis zum 27.8.1961 konnte die Batterie dies überbrücken und man empfing Daten der Experimente. Am 30.8.1961 trat sie über dem Golf von Mexiko wieder in die Atmosphäre ein und verglühte.
Analysen nach dem Flug zeigten, dass die Agena B die zweite Zündung im Erdorbit fast unmittelbar nach der Zündung abgebrochen hatte. Ein Ventil in der Salpetersäurezuflussleitung zur Brennkammer hatte sich wieder geschlossen. Der Treibstoff der in die Kammer gelangte reichte immerhin aus, um Ranger 1 um 70 m/s zu beschleunigen - von einem kreisförmigen 168 km Orbit in den 168 × 501 km Orbit.
Am 17.11.1961 fand der Start von Ranger 2 statt. Doch schon bald nach dem Start war klar, das die Agena B Oberstufe wiederum nicht gezündet hatte. Die Sonde verblieb in einem 130 × 150 km hohen Erdorbit. Als dies bemerkt wurde, hatte sich Ranger 2 schon von der Oberstufe gelöst, so wie es vorgegeben war. In diesem niedrigen Orbit hatte Ranger 2 noch größere Probleme sich auf die Sonne auszurichten und schaffte es nicht. Sie geriet ins Taumeln und es gab nur vereinzelt Daten. Da der Orbit sehr niedrig war, war er auch nicht stabil und schon nach dem 19.ten Umlauf, einen Tag später verglühte Ranger 2 wieder in der Erdatmosphäre.
Nun ging die NASA an den Mondflug, obwohl sie wegen des Versagens der Rakete noch nicht einmal das Raumschiff selbst getestet hatte. Dies war wie sich noch zeigen sollte fatal.
Die Ranger Block II Geräte sollten nun zum Mond fliegen und dort hart aufschlagen. Sie
führten eine Balsaholzkapsel mit, welche den Aufschlag überleben sollte.
Im folgenden sollen nur die Unterschiede zu den Block I Geräten erläutert werden. Der augenfälligste Unterschied ist die kugelförmige Kapsel am Ende des Instrumententurms. Diese wog 148 kg und hatte einen Durchmesser von 65 cm.. Sie sollte einigermaßen weich auf dem Mond landen. Gesteuert durch einen Radar Höhenmesser würde kurz vor dem Aufschlag ein Feststoffantrieb von 5080 Pfund Schub (23 kN) zünden und den Großteil der Restgeschwindigkeit vernichten. Innerhalb der flüssigkeitsgefüllten Kapsel (zur Reduktion des Schocks) befanden sich ein Sender, Batterien, ein Seismometer Die Füllung bestand aus Freon, einem dielektrischen Fluorkohlenwasserstoff. Die Kapseln sollten für 3.6 Mill. USD entwickelt werden. Diese Kapsel sollte 8 Sekunden vor dem Aufschlag in einer Höhe von 21 km abgetrennt werden. Die Kapsel wäre mit 130-160 km/h auf dem Mond aufgeschlagen.
Die Gesamthöhe war mit 3.10 m etwas kleiner als bei den Block I Geräten, die Spannweite von 5.20 blieb gleich, ebenso der Basisdurchmesser des hexagonalen Rahmens von 1.52 m.
Ziel neben dem Absetzen der Kapseln war es Fernsehaufnahmen mit hoher Auflösung in den letzten Minuten vor dem Aufschlag zu machen. Alle 10 Sekunden wäre ein Bild übermittelt worden. Ein weiteres Experiment sollte Gammastrahlen auf dem Weg und am Mond messen. Es galt die Techniken für Kursmanöver und Lagekontrolle auf dem Weg zum Mond zu entwickeln. Weiterhin sollten Erfahrungen im Sterilisieren der Raumfahrzeuge gemacht werden.
Als Neuerung hatten die Block II Sonden in der Mitte der Basis ein Triebwerk für eine Kurskorrektur. Dieses wurde erstmals bei einem Raumschiff mit katalytisch zersetztem Hydrazin angetrieben. Es hatte einen Schub von 222 N und eine Schubvektorkontrolle. Der Treibstoffvorrat reichte aus um die Geschwindigkeit um 43.2 m/s zu ändern.
Der zweite (0.24 W) Emitter von Block I entfiel, dafür hatte die Kapsel einen kleinen 50 mW starken Sender. Geblieben ist der 3 W starke Hauptsender, der wie der Kapselsender bei 960 MHz sendete. Die 11.5 kg schwere Silberzinkbatterie hatte nur noch eine Kapazität von 1000 Wattstunden, war aber nun wiederaufladbar. Als "Computer" bekam Ranger die nächste Generation eines Timer/Sequenzer (Einem Gerät, welches zu bestimmten Zeitpunkten vorher im Speicher abgelegte Kommandos ausführte. Mit diesen Kommandos wurde Ranger Block II gesteuert), der gegenüber dem von Block I verbessert war.
Die Zahl der Datenkanäle war auf 9 angewachsen mit maximalen Datenraten von 25 Samples/sec.
Auf den Block II Raumfahrzeugen basierte auch Mariner 1+2, damals als Mariner R (R für Ranger) tituliert. Als die Sowjets 1960 einen gescheiterten Startversuch gemacht hatten, galt es so schnell wie möglich eine Raumsonde zur Venus zu senden. Für die Venussonde die man damals plante, war zu wenig Zeit und so griff man auf die zu Beginn des Ranger Programms aufgekommene Idee einer gemeinsamen Planeten und Venussonde zurück.
Neben der Landekapsel hatten die Ranger Block II Sonden noch ein TV System mitführen sollen. Die TV Kamera war ein Cassegrain Teleskop angeschlossen und hatte eine Belichtungszeit von 20 ms. Das komplette abtasten der Röhre dauerte 13 Sekunden, wurde aber wegen des Verblassens des Bildes nach 10 Sekunden abgebrochen. In dieser Zeit wurde ein 200 Zeilen Bild mit 200 Punkten pro Zeile abgetastet. Bilder sollten erstmals in 4000 km Höhe gemacht werden, das letzte sollte in 47 km Höhe entstehen.
Das Gammastrahlenexperiment bestand aus einem Detektor, einem 32 Kanal Pulshöhenanalysator und einer Hochspannungsversorgung. Der Detektor war ein Kristall aus Cäsiumiodid von 7.62 cm Durchmesser umhüllt von einer 0.317 cm dicken Kunststofffolie, welche als Szintillatonsdetektor fungierte. Die Lichtblitze der Folie wurden von einer Photomultiplierröhre von 7.62 cm Durchmesser aufgefangen und zum Analysator geleitet. Dieser konnte pro Kanal 1-16 Impulse speichern, die dann sequentiell ausgelesen wurden. Passierten geladene Teilchen die Photomultiplierröhre, so blockierte eine Schaltung den Analysator um nur Gammastrahlen aufzuzeichnen.
Das Radar - Altimeter sollte in 19-25 km Höhe nach Trennung der Kapsel von der Sonde den Antrieb zur Abbremsung aktivieren. Es sandte bei 9.4 GHz Impulse mit abwechselnd 150 und 400 W Leistung aus. Pro Sekunde gab es 500-600 Impulse. Der Empfänger hatte eine Messfrequenz von 15-16 Hz und einen Gewinn von 11-12 dbi. Der Öffnungswinkel der Empfangsantenne betrug 4.5 Grad. In einer Höhe von 198 bis 55 km wurde das Experiment aktiviert. Der nominelle Aktivierungspunkt lag in 137 km Höhe.
Das 3.36 kg schwere Seismometer beinhaltete einen 1.70 kg schweren Permanentmagneten. er war durch eine Klammer fixiert. Eine vollständige Füllung der Kapsel mit Freon unter Vakuum sollte den Aufprallschock dämpfen. Beim Aufprall sollte die Klammer gelöst werden und das Seismometer nach oben schwimmen. Durch die Beschädigung der Balsahülle beim Aufprall würde das Freon verdampfen und der Druckverlust aktiviert durch einen Schalter das Seismometer. Es sollte 30 Tage lang Mondbeben messen und die Daten über einen 0.05 W Sender zur Erde übermitteln. Strom dafür lieferten 6 Silber-Cadmium Batterien.
Der wesentliche Unterschied zu Ranger I war die
sehr große und schwere Landekapsel. Ihrem Gewicht von 148 kg mussten die meisten Flugexperimente
weichen. Es gab nur noch ein Gammastrahlenspektrometer an einem 1.8 m langen Mast. Der Radar
Höhenmesser konnte neben der Höhenbestimmung auch zur Charakterisierung der Mondoberfläche
genutzt werden. In zahlreichen Systemen war Ranger Block II leichter als die Block I Sonden.
Besonders auffällig ist dies bei der Energieversorgung, da die große Silber-Zinkbatterie wegfiel.
| System | Gewicht |
| Struktur + Mechanik | 36.5 kg |
| Elektrik und Kommunikation | 34.6 kg |
| Stromversorgung | 42.5 kg |
| Lagekontrolle | 17.3 kg |
| Controller (Timer) | 5.3 kg |
| Kabel | 19.5 kg |
| Haupttriebwerk | 10.9 kg |
| Kapsel | 148.3 kg |
| Experimente | 9.5 kg |
| Treibstoff Haupttriebwerk | 7.6 kg |
| max. Startgewicht | 336.2 kg |
Im Jahre 1958 schlug Prof. Josua Ledderberg von dem Institut für medizinische Genetik an der Uni Wisconsin vor, man sollte Mond- und Planetensonden grundsätzlich sterilisierten um eine Kontamination mit irdischen Bakterien zu vermeiden. Dies wurde schließlich von der internationalen Gemeinschaft aufgegriffen und so wurde schon im Januar 1959 vorgeschlagen alle NASA Raumsonden zu sterilisieren. Ranger war das erste Projekt bei dem dies angegangen werden würde. Beim Mond war dies unnötig, denn es gibt mit Sicherheit dort kein Leben: Er hat keine Atmosphäre und kein Wasser.
Doch wie sterilisiert man ein mehrere Meter großes Raumschiff, das 360 kg wiegt? Der Plan, es in einer Ethlyenoxid Atmosphäre zu lagern, wurde verworfen, weil man nicht garantieren konnte, das es Zonen gibt, in denen das Gas nicht hinkommt. Aus diesen Zonen könnten aber Keime aber bei dem Aufschlag auf dem Mond freigesetzt werden. Schließlich erhitzte man das Raumschiff und alle Systeme 24 h auf 125° Celsius und füllte den Nutzlastraum nach Montage auf die Atlas Agena mit Ethylenoxid.
Diese eigentlich unnötige Sterilisation sollte sich noch rächen, denn 125 ° waren Temperaturen die jenseits dessen lagen, was die Elektronik im Betrieb aushalten musste. Man hoffte, sie würde dies aber im inaktiven Zustand verkraften. Doch niemand hatte dies je getestet...
Am 26.1.1962 stand nun der erste Start eines Block II
Gerätes, Ranger 3 auf dem Programm. Schon bald nach dem Abheben verlor allerdings die Atlas den
Kontakt zur Bodenkontrolle. Der Radioempfänger auf der Atlas hatte versagt. Die Rakete führte nun
alle Manöver nach ihrem Autopiloten durch, der jedoch ohne den Kontakt zum Boden nichts über die
wahre Geschwindigkeit wusste. Als Folge davon erreichte Ranger 3 eine um 53 m/s zu hohe
Geschwindigkeit, die zu einem Verfehlen des Mondes um 38000 km führte. Dies war für das Triebwerk
der Sonde nicht mehr zu korrigieren. Man entschloss sich alle Manöver durchzuführen, wie sie eine
normale Mission auch gehabt hätte. Man aktivierte das Gammastrahlenexperiment, führte eine
Kurskorrektur durch und begann am 28.1.1962 in 50.000 km Entfernung vom Mond mit der Vorbereitung
der Aufnahmen. Ohne den genauen Kurs würden die Bilder aber nur das All zeigen, denn um den Mond
zu fotografieren müsste sich Ranger 3 so drehen, dass die Empfangsantenne nicht mehr zur Erde
zeigte.
Als es dann dazu kommen sollte blieb Ranger stumm: Der Timer/Sequenzer waren ausgefallen. Dadurch verloren die Sensoren für die Sonne ihre Orientierung und alleine stabilisiert durch die Gyros konnte die Lage nicht mehr so präzise gehalten werden. Es gab immer wieder Telemetrie von der Sonde bis am 31.1.1962 das Stickstoffgas für die Lageregelung verbraucht war.
Danach gab es gegenseitige Schuldzuweisungen von Air Force und NASA. Die NASA bemerkte, dass nun schon die dritte Sonde durch ein Versagen einer "Air Force Rakete" verloren ging. Die Air Force konterte damit, dass auch der Timer/Sequenzer just dann ausgefallen war, wenn Ranger 3 Daten übermitteln sollte. Später stellte sich heraus, dass die Richtung für das Schwenken der Sonde vertauscht war und so die Antenne nicht mehr zur Erde zeigte und keine weiteren Kommandos mehr empfangen konnte. Damals wurden die Kommandos per Telefon vom Kontrollzentrum dem Techniker an der Bodenstation übermittelt. dieser gab sie dann ein und erst dann gingen sie an die Sonde. Dabei hat man wohl das Vorzeichen vertauscht. Ranger 3 befindet sich seit dem Mondvorbeiflug am 28.1.1962 auf einer Sonnenumlaufbahn.
Am 23.4.1962 stand Ranger 4 auf der Startrampe. Diesmal funktionierte die "Air Force Rakete" hervorragend. Die Daten zeigten, dass die Agena B Ranger 4 auf einen Kollisionskurs mit dem Mond gebracht hatten, es war kein Kursmanöver nötig. Doch das Raumschiff meldete sich nicht. Es taumelte um die Achse, stabilisierte sich nicht und fuhr keine Solarpanel aus. Es reagierte auch nicht auf Signale der Erde die man ihm schickte. Eine spätere Untersuchung zeigte, das der Timer des Sequenzers ausgefallen war. Ohne ihn lief keines der vorgegebenen Manöver ab, und ohne ihn reagierte Ranger 4 auch nicht auf Kommandos. 10 Stunden nach dem Start war die Batterie erschöpft und Ranger 4 verstummte. Am 26.4.1962 schlug Ranger 4 nach 64 Stunden Flug bei 229.5° Ost und 15.5° Süd mit einer Geschwindigkeit von 2.67 km/s auf dem Mond auf.
Am 18.10.1962 fand nun der letzte Start eines Block II Gerätes statt. Ranger 5 hob von der Startrampe ab. Zuerst sah alles aus, als würde es nun glatt laufen. Man bekam Signale vom Raumschiff, die zeigten, dass die Agena es in einen richtigen Orbit gebracht hatte und es war deutlich, so dass Ranger 5 nicht wie Ranger 4 taumelte. Doch 153 Minuten nach dem Start schlug das Schicksal wieder zu. Als die Solarzellen ausgefahren werden sollten, stieg die Temperatur kurzzeitig an und es gab keinen Strom mehr von Ihnen. Nur mit der Batterie war Ranger 5 aber innerhalb weniger Stunden tot, weil diese zu wenig Kapazität hatte. 4 Stunden nach dem Start wurde mit dem Gammastrahlensensor das einzige Experiment aktiviert. Während des Manövers zur Kurskorrektur, 8 Stunden nach dem Start sank die Leistung der Batterie soweit ab, das dieses abgebrochen wurde. Bald darauf geriet Ranger 5 ins Taumeln und verstummte nach 8Stunden 44 Minuten. Am 21.10.1962 passierte die stumme Ranger 5 Sonde den Mond in 720 km Entfernung, aufgrund des abgebrochenen Kursmanövers. Einzig der Gammastrahlensensor hatte über 4 Stunden Daten geliefert.
Schon am 30.6.1961 wurde als Kennedy angekündigt hatte einen "Menschen zum Mond" zu bringen eine dritte Serie von Ranger zu bauen. Diese sollten noch mehr und bessere Aufnahmen der Oberfläche machen. Es gab schon Pläne für weitere Sonden, Ranger Block IV und V. Doch nun gab es für diese Geräte erst einmal Baustopp. Nach 5 erfolglosen Ranger Flügen wurde eine Untersuchungskommission unter der Leitung von Albert J. Kelley, der schon mit dem Ranger und Agena Projekt vertraut war. Ranger hatte im JPL nun den Ruf eines "Murphy Spacecraft". Dies bezog sich auf das Gesetz von Murphy, wonach alles was schief gehen kann auch schief gehen wird.
Diese Untersuchungskommission stellte im Programm Ranger gravierende Mängel fest:
Der Report stellte fest, das Ranger für eine Mondsonde viel zu komplex war und eher wie eine Planetensonde ausgelegt war. Die Sterilisierung wurde sofort gestrichen. Sie könnte den Ausfall von Bauteilen bei Ranger 3-5 verursacht haben. Man empfahl eine saubere Kompetenzteilung sowohl beim Bau wie auch beim Start und eine komplette Neukonstruktion für Ranger 6-9.
Die Ranger Block III Sonden sollte nach dem Kelley Bericht weitgehend umgebaut
werden. So vergingen auch über 2 Jahre bis wieder ein Ranger auf der Startrampe im Cape stand.
Block III enthielt gegenüber Block I+II zahlreiche Verbesserungen:
Block III hatte keine Kapsel mehr an Bord, sondern sollte mit Fernsehkameras beim Aufschlag Bilder zur Erde schicken.
Block III
hatte nur noch eine Spannweite von 4.6 m durch die kürzeren (153.2 × 73.9 cm) großen rechteckigen
Solarpanels. Diese lieferten 100 Watt pro Panel anstatt 97 wie die alten. Die Gesamtfläche betrug
2.3 m². Die Panels waren mit 9792 Solarzellen aus Silizium belegt. Es gab nun eine 1000
Wattstunden Batterie für den Sequenzer und eine 1200 Wattstunden Batterie (34 V x 40 Ah) für das
Kamerasystem. Die Spannung der der Silber- Zinkoxid Batterien betrug 26.5 V. Beide Batterien
waren redundant ausgelegt. Sie erlaubten einen Betrieb von maximal 9 Stunden für die Sonde und 1
Stunde mit den Kameras.
Anstatt 10 gab es nun 12 mit Stickstoff angetriebenen Kaltgasdüsen. Neben dem 3 Watt Sender gab es für die Fernsehkameras einen zweiten 60 W Sender. Dieser konnte 1 Bild pro Sekunde übermitteln. Die Telemetrie lief über den 3 Watt Sender mit 1 digitalen und 7 Analogen Kanälen. Der Antrieb mit einem 224 N Triebwerk konnte die Geschwindigkeit um maximal 60 m/s ändern um eine Fehlfunktion der Atlas Agena B wie bei Ranger 3 (zu hohe Startgeschwindigkeit) besser ausgleichen zu können.
Die Sendefrequenzen betrugen 959.52 MHz / 960.,02 MHz für die beiden TV Kanäle F und P und 960.58 MHz für die 8 Telemetriekanäle. Die Sendeleistung betrug 60 W.
Ein Daten Encoder Einheit wandelte Messwerte in Datenworte um die dann übertragen wurden. Sie war voll transistorisiert und bestand aus 16 Modulen in einem 25 l großen Volumen. Dieses zog 10 W Strom und wog 12.2 kg. Die Datenrate betrug zwischen 350 und 3024 Zeichen/Sekunde. Die Anzahl der Messwerte nahm im Laufe der Mission ab. Ranger 6 übermittelte 110 Messwerte, Ranger 8 nur noch 85.
Der Sequencer, ein Vorläufer des Computers umfasste 6 Echtzeitkommandos und 8 gespeicherte Kommandos. Jedes gespeicherte Kommandos bestand aus einem 5 Bit Adressblock und einem 12 Bit Datenblock.
Das Antriebssystem, welches Hydrazin katalytisch zersetzte konnte die Geschwindigkeit der Raumsonde zwischen 0.1 und 60 m/s ändern.
| System | Gewicht |
| Struktur + Mechanik | 43 kg |
| Elektrik und Kommunikation | 26.2 kg |
| Stromversorgung | 57.8 kg |
| Lagekontrolle | 25.9 kg |
| Controller (Timer) | 4.4 kg |
| Kabel | 15.6 kg |
| Haupttriebwerk | 10.4 kg |
| Fernsehkameras | 173 kg |
| Experimente | 9.5 kg |
| Treibstoff Haupttriebwerk | 12.4 kg |
| max. Startgewicht | 368.7 kg |
Von den 9 Experimenten, welche Block III ursprünglich nach Planung
mitführen sollte blieben nur die Kameras als einziges Experiment übrig. Ziel von Ranger war es
Apollo zu unterstützen - nicht mehr und auch nicht weniger. Dazu dienten 6 Kameras. Die Videocon
Sensorgrößen lagen bei allen Kameras bei 25.4 mm Durchmesser. Sie waren mit Antimonsulfid /
Antimonsulfoxid als lichtempfindlicher Schicht belegt. Die Kameras wurden von RCA gefertigt.
Die Kameras waren 2 TV Kanälen zugeordnet (TV Kanal F und P). TV Kanal F umfasst zwei Kameras mit einer Brennweite von 25 und 76 mm (Weitwinkelkamera A und Telekamera B). Das Gesichtsfeld betrug bei der A-Kamera 25 Grad und bei der Telekamera 8.4 Grad. Diese Kameras nutzen eine Fläche von 11 x 11 mm auf den Videocons und tasteten diese in 2.5 Sekunden in 1132 Linien ab. Die Bilder wurden nacheinander übertragen, so dass ein Zyklus 2 Bilder umfasste und 5.12 Sekunden dauerte.
Im zweiten Kanal P waren 4 Kameras zugeordnet. Die Brennweiten der Kameras lagen bei 25 mm (25° und 6.3° Gesichtsfeld) und 76 mm (8.4° und 2.1° Gesichtsfeld). Sie tasteten nur eine Fläche von 2.8 x 2.8 mm mit 290 Linien ab, dies jedoch in 0.2 Sekunden. Auch hier wurden die Bilder nacheinander übertragen, so dass ein Zyklus 4 Bilder umfasste und 0.84 Sekunden dauerte.
Die Kameras waren in 2 Ketten angeordnet. Jede Kette hatte eine eigene Stromversorgung, einen eigenen Transmitter und Timer. So dass der Ausfall einer Kette nicht die Mission scheitern lies. Die 1200 Wattstunden Batterie war nur für die Fernsehkameras bestimmt. Die 1000 Wattstunden Batterie erlaubte es die wichtigsten Manöver nach dem Start durchzuführen, so dass auch bei Ausfall der Solarpanels die Mission im wesentlichen durchgeführt werden konnte.
Ziel war es Mondaufnahmen zu gewinnen die mindestens um eine Größenordnung besser als die besten irdischen waren. Die Sonden sollten bis zum Einschlag Bilder senden und dabei auch klären ob die Mondoberfläche im kleinen Maßstab genauso verkratert ist wie im Großen. Auf dem Boden wurden die Bilder von den Monitoren abfotografiert und die 35 mm Bilder der Kameras archiviert: Noch hatte das digitale Zeitalter bei der NASA nicht begonnen.
Am 30.1.1964 startete Ranger 6. Die NASA Zentrale hatte
darauf gedrängt, dass das JPL Ranger 6 nur startet, wenn es keinen Zweifel an ihrem Erfolg geben
würde. Der Start verlief auch problemlos. 141 Sekunden nach dem Abheben testete man Ranger 6 für
67 Sekunden, noch während die Sonde auf ihrer Atlas Trägerakete auf dem Weg in den Orbit war.
Nach 67 Sekunden verstummte die Telemetrie, doch die Daten die es vorher lieferte, zeigten, das
alles in Ordnung schien.
Problemlos verliefen auch der Einschuss in die Bahn zum Mond und das Kurskorrekturmanöver. Auch die Systeme an Bord funktionierten einwandfrei. Am 2.2.1964, versammelten sich Presse und Projektverantwortliche in einem Konferenzsaal um die Bilder der Sonde im Endanflug zu sehen. 13 Minuten vor dem Einschlag: Schon kam die Nachricht, dass die Telemetrie signalisierte, dass die Kameras sich aufwärmten - doch die Bildschirme blieben Dunkel. 10 Minuten zum Einschlag "wir warten noch immer auf die Bilder der Sonde". 10 Minuten später "Wir haben Einschlag, aber noch keine Bilder der Sonde".
Danach dürfte Homer Newell von einem Ausschuss des Kongresses erläutern warum Ranger 6 der 11.te Fehlschlag des US Mondprogramms in Folge war. (Vor Ranger waren auch die 4 Starts der Pioneer P Sonden gescheitert und von den 5 Pioneer 0-4 Sonden erreichte auch nur eine den Mond, verfehlte aber die geplante Passagedistanz) Sein Vorsitzender Jospeh E. Karth war der Meinung, man sollte Ranger sofort streichen. Nur die Bedeutung für das Apollo Projekte rettete Ranger. Nun kam mit Alan L. Luedecke ein Externer von der Navy zum JPL, um das Management zu kontrollieren.
Wie man gleich am Anfang vermutete, hatte die Fehlfunktion des TV Systems mit dem Abrufen der Telemetrie zu tun. Das TV System musste durch einen Kurzschluss aktiviert worden sein. Die beim Start vorliegenden Belastungen hatten es zerstört. Es gab wohl eine elektrostatische Entladung auf der Atlas, die durch den Steckerkontakt mit der Agena übertragen wurde. Es wurde vereinbart umfangreiche Änderungen am TV System vorzunehmen. Es sollte erst nach Abtrennung von der Agena aktiviert werden können. Dazu diente eine Schutzschaltung eine Art Sicherung. Es sollte mehr Daten über seinen Zustand liefern und die Zahl der Anschlüsse an die Agena, von der aus der Kurzschluss wahrscheinlich kam, wurde verringert.
Es kam darüber hinaus zu einem erneuten Review des ganzen
Systems, das TV System wurde bei RCA erneut getestet. Dazu die Verbindung über die HGA Antenne,
die man vorher nie getestet hatte.
So fand der nächste Ranger Start erst am 28.7.1964 statt. Diesmal klappte alles. Die Atlas D Nr. 250 funktionierte genauso wie die Agena B, welche die Sonde zuerst in einen 192 km hohen Parkorbit beförderte und dann nach einer halben Stunde erneut zündete. Ranger 7 Sonde wurde korrekt auf Mondkurs gebracht. 14 Stunden auch dem Start erfolgte das Kurskorrekturmanöver.
Am 31.7.1964 näherte sich Ranger 7 seinem Ziel. Wieder warteten Projektverantwortliche und Journalisten auf die ersten Bilder. Um 18.07 kam das Signal, dass sich die Kameras erwärmten, 90 Sekunden später der erste Datenstrom. 18 Minuten vor dem Einschlag kommen die ersten Bilder aus 2110 km Höhe. Und der Strom reist nicht ab. Bis zum Aufschlag sandte Ranger 7 insgesamt 4308 Bilder. Das Ranger Programm hatte nach 7 Flügen ihren ersten Erfolg. Das links abgebildete Bild zeigt einen Ausschnitt aus dem Mare Cognitum von 12 km Kantenlänger. Hier schlug Ranger 7 mit einer Geschwindigkeit von 2.62 km/s bei 10.35° Süd, 339.42° Ost auf. Die ersten Aufnahmen zeigten noch ein Gebiet von 1.2 Millionen km². Das letzte mit einer Auflösung von 0.5 noch ein Gebiet von 50 × 30 m. Die Wissenschaftler stellten fest, dass der Mond auf dem letzten Bild nicht viel anders aussah, als auf den Bildern mit einigen Kilometern oder 10 km Kantenlänge. Offenbar war der Mond übersät mit Kratern jeder Größe.
Die Sonde hatte nicht nur ihre Mission erfüllt, sondern war auch äußert präzise gesteuert gewesen. Sie schlug nur 12.4 km vom geplanten Einschlagspunkt auf. Dies konnte später auf Lunar Orbiter Aufnahmen festgestellt werden. Die Kosten von Ranger 7 wurden mit 28 Millionen USD inklusive der Atlas-D Agena B angegeben.
Am 17.2.1965 wurde nun Ranger 8 gestartet mit der Atlas D Nr. 196. Nach Erreichen
eines 185 km hohen Parkorbits zündete nach 14 Minuten die Agena B erneut und beförderte Ranger 8
auf einen Mondkurs. Am 18.2.1965 gab es in 160.000 km ein Mittkursmanöver. Eine Zündung über 59
Sekunden brachte Ranger 8 auf seinen Zielkurs.
Die Sonde sollte bei einem niedrigeren Sonnenstand einfliegen, wodurch die Bilder kontrastreicher wurden. Der schräge Anflugpfad von 13.6 grad zum Mondäquator führte bei den letzten Aufnahmen auch durch die versetzten Kameras zu einem Stereoeffekt. Während 23 Minuten wurden 7317 Aufnahmen erhalten. Die Sonde schlug bei 2.67 N und 24.65 Ost im Mare Tranquillitatis (Dem "Meer der Stille") mit einer Geschwindigkeit von 2.68 km/s nach 64.6 Stunden Flugzeit auf.
Am 21.3.1965 wurde die letzte Ranger Sonde gestartet. 70 Minuten nach dem Start entfaltete Ranger 9 planmäßig seine Solarpanels. die Agena hatte Ranger 9 präzise auf Kurs gebracht und die Kurskorrektur konnte so um einen Tag auf den 23.3.1965 verschoben werden. Nach einem 32 Sekunden dauernden Zünden des Zentraltriebwerks war Ranger 9 dann auf dem Kurs in den Krater Alphonsus.
Ranger 9 schlug nur 4.8 km vom Zielgebiet auf. Während der letzten 19 Minuten vor dem Aufschlag wurden 5814 Bilder empfangen. Die Sonde begann in einer Höhe von 2363 km Bilder zu senden. Das letzte Bild mit einer Auflösung von 0.3 m war das höchst auflösende aller Ranger Sonden. Das Vertrauen des JPL in ihr "Murphy Spacecraft" Ranger war nun so groß, dass die Übertragung der letzten Bilder einer der Telekameras life ins amerikanische Fernsehen eingespielt wurden. Der Aufschlag fand bei 12.83 Grad Süd und 357.63 Grad Ost statt.
Die Pläne für Ranger Block IV und V wurden eingestellt, als die Programme Lunar Orbiter und Surveyor aufgelegt wurden. Gegenüber den Lunar Orbitern, die den gesamten Mond fotografierten, lieferten Ranger nur kleine Ausschnitte, wenn auch von hervorragender Auflösung. Viel mehr über die Mond Oberfläche konnten die Landesonden des Surveyor Programms herausfinden. Es lohnte sich daher nicht das Ranger Programm fortzuführen.
Die NASA hatte beim Ranger Geld viel Lehrgeld gezahlt: Die Gesamtkosten von Ranger beliefen sich auf 260 Millionen USD. Davon entfielen 170 Millionen USD auf die Raumsonden und der Rest auf die Trägerraketen und die Entwicklung von Ranger. Dazu kamen noch 15.4 Millionen die schon für den Bau der Block IV und V Geräte ausgegeben wurden. Berücksichtigt man die Inflation so entspricht dies heute einer Summe zirka 1.2-1.5 Mrd. USD. Nur 3 der 9 Sonden waren erfolgreich. Dies war zwar ein Fortschritt gegenüber dem Able Programm (Keine der 5 Sonden erreichte auch nur eine Umlaufbahn) und dem Pioneer Programm (Eine von 5 Sonden erfolgreich). Verglicht man dies aber mit Satelliten, deren Starts damals schon Routine waren, so konnte dies nicht überzeugen.
Ranger und das JPLFür das JPL war Ranger das erste größere Sondenprojekt. Zwar hatte man beim JPL schon vorher Explorer 1 und Pioneer 3+4 gebaut. doch dabei handelte es sich kleine Sonden von wenigen Kilogramm Masse. Bei Ranger zahlte das JPL Lehrgeld: Der Name "Jet Propulsion Laboratory" ging auf das zurück was man vorher machte : Düsentriebwerke testen. Klappte da ein Test nicht so untersuchte man das Triebwerk, änderte etwas und machte einen neuen Versuch. Diese Vorgehensweise war bei Raumfahrzeugen nicht möglich. Ein Start mit Ranger kostete 28 Millionen USD und das öffentliche Echo beim Fehlschlag war enorm.
Das JPL lernte bei Ranger eine Raumsonde zu bauen, sich gegen jede Eventualität abzusichern, Redundanzen und Sicherungssysteme einzubauen. Zur gleichen Zeit startete das JPL auch Mariner 1+2 und Mariner 2 zeigte auch Probleme. Die Sonde fiel immer wieder aus, verlor die Hälfte des Stroms und die Orientierung. Instrumente arbeiteten nur sporadisch. Als die Sonde gerade beim Vorbeiflug an der Venus funktionierte unkte man bei der Presse, JPL stände für "Just plenty Luck".
Das JPL lernte daraus und konzipierte zukünftige Sonden so sicher wie möglich. Als Hughes bei dem Bau der Mariner 3+4 Sonden Probleme bekam konnte das JPL helfen und der Erfolg dieser Sonden war auch Verdienst des JPL. Seitdem hat das JPL einen exzellenten Ruf. Seit dem Verlust von Surveyor 2 im Jahre 1966 arbeiteten alle vom JPL konzipierten Sonden einwandfrei bis zum Verlust des Mars Observers 1993. Die meisten übertrafen ihre Lebensdauer bei weitem. Erst in jüngster Zeit häufen sich wieder Fehlschläge bei Sonden, weil man meint um Kosten zu reduzieren den bürokratischen "Overhead" sprich eine sorgfältige Planung und Kontrolle einsparen zu können.
In der Zeit in der das Ranger Programm durchgeführt wurde gab es einen Wettlauf um die technologische Vorherschaft, die vor allem über Erstleistungen im All durchgeführt wurde. Bekannt ist der Wettlauf bei den bemannten Programmen. Doch auch bei der Erforschung des Mondes und der Planeten gab es einen Wettlauf. Die Sowjets konnten die erste Sonde vorweisen, die am Mond vorbei flog und auf ihm aufschlug. Später schafften sie es vor den Amerikanern zu landen und einen Mondorbiter zu starten. Doch sei kopierten nie die Zielsetzung des Ranger Programms, obgleich man durch die Verzögerungen sicherlich auch hier hätte punkten können. Warum ?
Die Antwort bekam man erst nachdem man in den neunziger Jahren mehr Details über sowjetische Kameras erfuhr. Bis zum Start der Vega Sonden im Jahre 1984 setzten die Sowjets zwei Kameratypen ein : Filmkameras, deren Film an Bord entwickelt wurde und dann digitalisiert wurde. Dies war bei einer Aufschlagssonde nicht möglich, dafür blieb keine Zeit. Der zweite Typ waren Scankameras die nur ein Bildelement, ein Fotometer hatten und damit zeilenweise ein Bild erzeugten. So machten auch die Pioneer 10+11 und Pioneer Venus Sonden Aufnahmen. Bei diesem Typ dauert es mindestens einige Sekunden bis ein Bild abgetastet ist, während dieser Zeit bewegt sich das Raumfahrzeug mit 2.5 km/s weiter und das Bild ist völlig verzerrt und enthält Teile in unterschiedlichen Maßstäben. Sowjetische Mondsonden scannten relativ langsam, einige Zeilen pro Sekunde. Damit hätte es etwa 100 Sekunden gedauert ein Bild aufzubauen - Viel zu langsam für eine Aufschlagsonde. Daher konzentrierten sich die Sowjets gleich auf den nächsten Schritt, die weiche Landung auf dem Mond.
| Erfolg | Datum | Nutzlast | Trägerrakete |
|---|---|---|---|
| - | 23.08.1961 | Ranger 1 | Atlas Agena B |
| - | 18.11.1961 | Ranger 2 | Atlas Agena B |
| - | 26.01.1962 | Ranger 3 | Atlas Agena B |
| - | 23.04.1962 | Ranger 4 | Atlas Agena B |
| - | 18.10.1962 | Ranger 5 | Atlas Agena B |
| - | 30.01.1964 | Ranger 6 | Atlas Agena B |
| x | 28.07.1964 | Ranger 7 | Atlas Agena B |
| x | 17.02.1965 | Ranger 8 | Atlas Agena B |
| x | 21.03.1965 | Ranger 9 | Atlas Agena B |
NASA SP-4210:Lunar Impact: A History of Project Ranger
NASA Histories Online: SP-480 Far Travelers: The Exploring Machines
Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger| Sitemap | Kontakt | Neues | Bücher vom Autor | Buchempfehlungen |