Zwei Jahrestage. 75 Jahre A-4 und 60 Jahre Sputnik

Kommen nun heute und morgen. Zuerst einmal ist das der 75-ste Jahrestag des ersten erfolgreichen Starts einer A-4 am 3.10.1942. Dann morgen, am 4.10. der 60-ste Jahrestag des Starts von Sputnik 1. Viel ist zu beiden geschrieben worden. Schwer ist es da noch Neues beizutragen, doch ich will es mal probieren. Bei der A-4 wurde bei Skyweek 2.0 die Diskussion erwähnt, ob sie nun die Grenze zum Weltraum erreicht hat. Der erste Schuss ging in 84,5 km Höhe. Nach der landläufigen Definition ist die Grenze zum Weltraum in 100 km Höhe. Doch das ist eben nur eine Definition. Man kann auch anders definieren. Die USA haben mal sie auf 50 Landmeilen runtergesetzt, dass ihre X-15 Flieger auch den Weltraum erreichten. Da wäre sie drüber. Ich will mal diskutieren, was man als Kriterium nehmen könnte.

Kriterium 1: Weltraum ist da, wo die Luft zu dünn für andere Gefährte ist.

Ein Kriterium das man nehmen kann bezieht sich auf die Technologie. Wir kommen ja nicht so in den Weltraum wir brauchen ein technisches Gerät und da kann man nun einfach sagen: Geräte, die irgendwie von der Luft abhängig sind, sind eine Kategorie und Geräte die auch im Weltraum arbeiten, eine andere. Das erste wären Flugzeuge, sowohl mit Propeller wie Strahlantrieb und Ballone. Das zweiet wären Raketen. Flugzeuge stoßen schon bei 30 km an ihre Grenzen, weil dann die Luft zu dünn wird, um als Verbrennungsträger für Düsentriebwerke zu dienen. Mit RAMJets sollte man höher kommen. Leider gibt es hier wenige Versuche große Höhen zu erreichen. Ballone erreichen mit Nutzlast ohne Problem 30-35 km Höhe. Ein NASA-Ballon hat 2006 schon 49 km erreicht. Eine Mig 25 hat im Parabelflug immerhin 37,65 km erreicht. Regulär liegt der Rekord (ohne Parabel) bei 26,32 km.

Diese Höhen liegen also weit unterhalb der normalen Grenze zum Weltraum. Ich rechne aber damit, dass man wenn man Ramjets baut, noch deutlich höher kommt. Denn sonst machen die keinen Sinn. Bei nur 50 km Höhe müsste eine Oberstufe noch sehr viel Arbeit leisten. Nach Wikipedia soll bei Scramjets sie Maximalhöhe bei 75 km liegen, was ziemlich nahe an der heutigen Definition ist.

Kriterium 2: Weltraum ist da, wo die Luft in den Weltraum übergeht.

Okay, ich gebe zu das Kriterium ist weich. Es ist ja nicht so das unsere Atmosphäre bei 100 km abrupt aufhört. Sie wird vielmehr immer dünner. Satelliten werden noch in 200 km Höhe so stark abgebremst das innerhalb weniger Wochen verglühen. In 400 km Höhe liegt man bei über einem Jahr und bei 600 km Höhe im Bereich von Jahrzehnten, natürlich stark abhängig von der Form eines Satelliten. Zudem ist die Dichte sehr stark abhängig von der Sonnenaktivität – bei hoher Aktivität strömen viele Protonen und Elektronen auf die Atmosphäre und übertragen durch Zusammenstoß Energie und sie dehnt sich aus. Aber ich denke man kann trotzdem ein Kriterium anwenden. Nämlich die Zusammensetzung. Am Erdboden besteht die Luft aus Molekülen. In der oberen Atmosphäre aus Radikalen und Ionen. Deswegen wird sie auch Ionosphäre genannt. Diese beginnt bei 70 bis 90 km, stark abhängig von der Sonnenaktivität. Nimmt man die Mitte, so liegt man bei 80 km. Das wäre auch eine gangbare Definition.

Kriterium 3: Der Weltraum beginnt da, wo ein Satellit mindestens einen Umlauf schafft.

Was mich an den Definitionen stört, die es bisher gab, ist das man allesamt versucht, kleine Hopser zu Weltraummissionen umzudefinieren. Für mich beginnt Weltraumfahrt da, wenn man einen Orbit erreicht. Alles andere ist suborbital. Da ist es dann wurst ob eine Rakete 80 oder 100 km Höhe erreicht. Höhenforschungsraketen die leicht über 100 km kommen (die meisten weitaus höher) heißen ja auch nicht Weltraumforschungsraketen.

Die Untergrenze ist da, wo das Auseinanderbrechen eines Satelliten beginnt. Das ist bei 80 km Höhe der Fall, sofern der Satellit nicht eine spezielle form hat (die Keyhole 1-7 in Form einer Gewehrpatrone kamen bis auf 90 km an die erde heran). Solarzellen und andere leichte, große Flächen, könne schon vorher abgehen. Vor allem aber ist die Abbremsung ein sich selbst beschleunigender Prozess. Verliert der Satellit höhe, so sinkt er weiter ab, was zu noch schnellerem Absinken führt. Daher mein Kriterium: Die Mindesthöhe ist die, bei der ein Satellit nach einem Umlauf auf 80 km Höhe abgesunken ist. Denn dort beginnen fragile Satelliten auseinanderzubrechen.

Das ist natürlich auch abhängig von der Art des Satelliten und der Sonnenaktivität. Eine Kugel aus Uran (Geodäseisatelliten) sinkt langsamer als ein Ballon. Wenn man einen 1U Cubesat als Referenz nimmt (im Vergleich zu größeren Satelliten ungünstiges Oberfläche/Masse Verhältnis) und eine mittlere Sonnenaktivität von 160 SFU und einen AP-Index von 12. so kann man simulieren, aus welcher Ausgangshöhe man nach einem Umlauf auf 80 km Höhe gesunken ist. Mit einem einfachen Modell komme ich auf 88 km Ausgangshöhe.

Wenn man als Kriterium einen Tag nimmt, so sind es 153 km. Physikalisch macht ein Umlauf eher Sinn. Denn wenn man nicht mal einmal die Erde umrunde, dann könnte man den Satelliten auch als suborbitale Nutzlast z.B. einer ICBM ansehen. (Gab es auch mal). Technisch macht wohl ein Tag mehr Sinn, denn im Orbit muss man den Satelliten ja in Betrieb nehmen und zumindest eine kleine Mission durchführen.

Sputnik und seine Folgen

Kommen wir zum Sputnik. Ich will nicht auf das Ereignis selbst eingehen, sonder um die Auswirkungen. Den Sputnikstart musste Koroljow ja noch der militärischen Führung als Testflug verkaufen. Das Medienecho vor allem im Westen führte dazu, dass man bald nachlegte. Sputnik 2 folgte zum Jahrestag der Oktoberrevolution. Der Sputnikschock folgte eigentlich mit Sputnik 2. Man wusste im Westen ja nicht, mit welcher Trägerrakete der Satellit gestartet wurde. Die USA planten Explorer und Vanguard. Die waren maximal 20 kg schwer. Sputnik 1 war 80 kg schwer, also deutlich schwerer, doch 80 kg wären mit den Trägern und optimierten Oberstufen auch möglich. Sputnik 2 wog über 500 kg und Sputnik 3 im Mai 1958 dann 1.500 kg. Damit war klar, das Russland eine ICBM hatte, die die USA erreichen konnte. Das war die eigentliche Bedeutung des Satellitenstarts.

Was er ausgelöst hatte, war ein Wettlauf. Nicht nur ein Bemannter zum Mond, sondern auch ein unbemannter. Er ist mir beim Schreiben meines Buches über die Raumsonden wieder vergegenwärtigt worden. Es ist frustrierend Dutzende von Raumsonden aufzuführen, die nicht ihr Ziel erreichten, weil man sie überhastet oder mit unerprobten Trägern startete. Seitens der USA waren dies die ersten Jahre. Auch hier versuchte man mit den frühen Pioneers und Ranger die UdSSR zu übertrumpfen. Auch Mariner 1+2 als Schnellschuss aus Ranger gebaut kann man dazuzählen. Doch das wich dann sorgfältig vorbereiteten Missionen, die auch wesentlich erfolgreicher waren. Russland behielt das Streben unbedingt Erster zu sein bis 1973 bei. Bedingt durch zahlreiche Ausfälle von Sonden und dem Erfolg der Amis machte man dann oft den zweiten Schritt vor dem Ersten – obwohl keine russische Sonde erfolgreich den Mars erreicht hatte, plante man mit Mars 2+3 gleich einen Orbiter und die Landung. Eine dritte Sonde sollte die benötigten Daten über Position des Mars und Atmosphäre liefern, die man für die weiche Landung benötigte. Natürlich ging eben diese (nach Murphys Gesetz) verloren. So erreichten nur die Orbiter einen Orbit, davon einer einen unplanmäßigen.

Noch verrückter war es 1974. Diesmal flog gleich eine Armada zum Mars: je zwei Orbiter und zwei Lander. Nur hatte man vier Monate vor dem Start entdeckt, dass Transistoren im Stromverteilungssubsystem ausfielen. Eine Nachfrage bei der Fabrik ergab, dass man dort vor zwei Jahren die Produktion umgestellt hatte: Kontakte waren aus Alu anstatt Gold um Kosten zu sparen. Etwa 1,5 bis 2 Jahre nach Herstellung würden durch interkristalline Korrosion sich die Ausfälle häufen. Das Stromversorgungssystem war „gefüllt“ mit den Transistoren. Man errechnete, dass es nur eine 50% Wahrscheinlichkeit gab, dass auch nur eine Raumsonde heil den Mars erreichte. Daher plädierte man für eine Verschiebung des Starts um zwei Jahre, doch dann wären die Sonden zeitgleich mit Viking gestartet, mit dessen ambitionierten Messprogramm konnte man nicht mithalten. Also wurde von oben befohlen, die Sonden 1973 zu starten. So kam es, wie es kommen sollte. Nur ein Orbiter erreichte en Mars funktionsfähig. Ein Lander lieferte zwar einige Atmosphärendaten zerschellet aber bei der Landung..

Die einzige Ausnahme war die Erforschung der Venus. Da hier die USA nach Mariner 5 kein Interesse mehr hatte, konnte man hier eine Mission, auf der letzten aufbauend, Erfolge bei den Landungen erzielen. Allerdings waren hier die Bedingungen auch günstig. Der enorme Rückschritt in der Elektronik spielte keine Rolle, wenn eine Sonde nur eine Stunde lang arbeitete und so praktisch nur ein festes Programm abarbeiten konnte.

Die negative Seite der Medaille ist das es in Russland niemals so was wie ein Forschungsprogramm in der Raumfahrt gab. Es gab viele militärische Satelliten, dazu kamen Anwendungssatelliten für die Wettervorhersage oder Kommunikation. Aber die Zahl der Forschungssatelliten kann man an den Händen abzählen. Wie auch, da konnte man ja selten Erstleistungen vollbringen, weil die USA sehr bald begannen, Forschungssatelliten für verschiedenste Untersuchungen der Erde, des Weltraums oder des Kosmos zu entwickeln. Zudem wurde das in der Öffentlichkeit kaum verfolgt. Ich glaube allerdings nicht das sich daran was geändert hätte wäre Russland beim Wettlauf Zweiter gewesen. Man muss nur auf China sehen. Die haben jahrelang auch nur militärische und anwendungsorientierte Raumfahrt betrieben. Erst in den letzten Jahren haben sie auch begonnen, Forschungsmissionen zu entwickeln. In Russland hatte das Militär zu viel Macht. Alle Starts wurden von den Raketenstreitkräften durchgeführt. Was nicht irgendwie militärisch nützlich war, wurde nicht genehmigt. Selbst die Proton war mal eine ICBM mit 25 t Nutzlast für eine riesige H-Bombe. Selbst das Mondprogramm, von der Führung politisch gewollt hatte damit zu kämpfen und immer zu wenige Mittel. Der Ausfall der Sonden ist so auch nicht so verständlich. Die meisten Projekte wurden schnell durchgezogen, meist in weniger als zwei Jahren und gemessen an der Größe mit geringen Mitteln. Zwar ist es schwierig, den Rubel in US-Dollar umzurechnen, doch selbst bei den höheren Umrechnungskursen kommt man auf erschreckend niedrige Zahlen. Phobos 1+2 sollen 200 Millionen Pfund, damals etwa 300 Millionen Dollar gekostet haben. Das war in etwa ein Drittel dessen, was der Mars Observer kostete – mit weniger Experimenten ohne Landesonden und als Einzelsonde. Russland machte schon 30 Jahre vor der NASA die Urerfahrung: Faster, Cheaper und Better geht nicht. Es sind immer nur zwei Ziele umsetzbar. Beide Mal blieb das „Better“ auf der Strecke…