Die fiktive Apollo 18 und 19 Mission

In meinem heutigen Blog möchte ich eine fiktive Apollo-Doppelmission skizzieren. Es geht also nicht um die geplanten Apollo 18 und 19 Missionen. Apollo 18 war bis September 1970 für eine Landung im Copernicus Krater geplant, Apollo 19 im selben Monat gestrichen sollte in der Hadley Rille landen.

Für alle die es ganz genau nehmen: Im September 1970 wurden Apollo 15 und 19 gestrichen, dann aber neu nummeriert, sodass effektiv Apollo 18 und 19 entfielen. Weiterhin wurden die Ziele neu verteilt, sodass die Hadley Rille trotzdem von Apollo 15 besucht wurden. Real entfielen am Schluss des Programms die Landungen im Censorius, Copernicus und Tycho Krater sowie bei den Marius Hügeln also Folge dessen das Apollo 13 nicht landen konnte.

Es gibt noch Hardware

Bei jedem bemannten Programm mit nur einmal verwendbaren Teilen gibt es bei Programmbeginn eine Planung welche Missionen durchgeführt werden. Schlussendlich werden Verträge mit den Herstellern der Kapseln, ihren Subkontraktoren abgeschlossen und Trägerraketen bestellt. Je nach dem wie das Programm läuft, kann es vorkommen das man die Hardware nicht benötigt.

Bei Mercury war geplant das jeder Astronaut einmal fliegt. Es gab mindestens ein weiteres Raumschiff, mit dem gerne auch Alan Shepard geflogen wäre. Das Problem war, das schon mit dem zweiten Flug Wostok 2 die Designlebensdauer von Mercury übertrafen und bei einem „Dauerflug“ von Gordon Cooper, der über die Designlebensdauer ging sich die Ausfälle am Ende der Mission häuften. So kam es nicht zu dem Flug.

Bei Gemini weiß ich es selbst nicht genau wie viele Raumschiffe übrig blieben. Da es hier einige Probleme gab – der Kopplungsadapter für Gemini 6 ging bei zwei Startversuchen verloren. Bei Gemini 8 klappte die Kopplung aber danach versagte die Geminikapsel, sodass die Mission abgebrochen wurde. Bei Gemini 9 konnte die Kopplung nicht erfolgen weil die Nutzlasthülle sich nicht löste, denke ich ist hier wenig übrig, aber die NASA bestellte zumindest drei Titan mehr als sie benötigte.

Bei Apollo gab es die meisten Veränderungen. Die Saturn I sollte zuerst als Apollo-Trägerrakete fungieren, wurde aber sehr bald davon entbunden und man baute dafür die leistungsfähigere Saturn IB. Da die Tests zudem alle erfolgreich waren, wovon man nicht ausging nutzte man die letzten drei Exemplare die „übrig“ waren zum Start der Pegasus-Satelliten die die Mikrometeoritendichte im erdnahen Raum bestimmten.

Die Saturn IB sollte ab 1967 bis die Saturn V einsatzfähig war – nicht vor Mitte 1968, einige unbemannte und bemannte Tests im Erdorbit durchführen. Die Apollo 1 Besatzung die bei einem Brand starb war im Februar 1967 nur einen Monat vor dem Start entfernt. Bemannt wurde wegen Umbauten der Kapsel aber auch Verzögerungen beim Mondlander so mit der Saturn IB nur die Apollo 7 Mission durchgeführt, erst im Oktober 1968, also eineinhalb Jahre später. Die verbliebenen Saturn IB wurden dann für die Zubringerdienste zu Skylab und die ASTP Mission genutzt. Zwei weitere Saturn IB und Apollo-Raumschiffe gab es 1975 noch, die für die Skylab-B Mission eingesetzt werden können.

Bei den Saturn V ist es relativ einfach. Es wurden 15 bestellt und 15 gebaut. Spätestens nach der Apollo 8 Mission war so abzusehen das das Programm bis Apollo 20 lief. Von den LM gab es zwei fertiggestellte und zwei im Bau die dann verschrottetet wurden und von den CSM gab es selbst nach Ende des Skylabprogramms noch zwei Stück. Also man hätte problemlos zwei weitere Apollomissionen durchführen können.

Warum wurde dann gestrichen?

Apollo 20, gestrichen im Januar 1970 war noch folgerichtig. Für den Start von Skylab benötigte man eine Saturn V, das war eben die Saturn V der letzten Apollomission. Die Streichung von Apollo 15 und 19 im September 1970 hatte andere Gründe. Der Personalstand des Kennedy Space Centers war ursprünglich für den Start von fünf Saturn V in einem Jahr ausgelegt. Diese Kapazität hatte auch das VAFB das drei Raketen parallel zum Start vorbereiten konnte. 1968/1969 starteten auch Apollo 8 bis 12 in einem Jahr. Direkt nach Apollo 11 gab es die erste Kündigungselle die den Personalstand soweit reduzierte das es noch drei bis vier Missionen pro Jahr waren und ab September 1970 mit der zweiten Welle wurde der Personalstand soweit verkleinert, das es noch zwei Missionen pro Jahr waren. Für 1973 war aber der Start von Skylab geplant, zwei Programme konnte man mit dem Personal auch im Houston nicht gleichzeitig managen, so mussten zwei weitere Missionen weichen, damit die letzte Apollomission noch 1972 abgeschlossen wird.

Die fiktive Apollo 18/19 Mission

Die Idee die ich habe ist die, was wäre wenn es die beiden Missionen noch gäbe, aber verbunden zu einer Doppelmission und mit höherem Anspruch?

Dazu muss man etwas ausholen. Es gab Ideen mehr aus Apollo zu machen, diese wurden Mitte der Sechziger stark zusammengestrichen sodass nur leichte Verbesserungen herauskamen. Aber einiges wäre mit einem geringen Aufwand doch möglich:

Verlängerter Aufenthalt. Das rein batteriebetriebene LM konnte drei Tage betrieben werden. Ein einfacher und auch praktisch erprobter, kostengünstiger Vorschlag war es ein zweites LM auszuweiden. Es wäre nicht mehr vom Mond zurückgekehrt und wäre als Behausung genutzt werden. Dazu hätte man alles entfernt was die Aufstiegsstufe benötigt, wie das Triebwerk das viel Platz in der Kabine wegnahm, einen Teil der RCS-Tanks die weiteren Stauraum ergaben. Ohne den Treibstoff hätte es auch über 2.000 kg Ausrüstung, Lebensmittel, Gase, Wasser, Lithiumhydroxidkanister für die Bindung des Kohlendioxids und Batterien mitführen können. Mehr als genug für einen längeren Betrieb. Da wäre noch einiges für Experimente übrig geblieben. Die Stromversorgung durch Batterien hätte man relativ problemlos durch Solarzellen an der Oberfläche ergänzen können.

Da ein LM vollständig durch den Computer gelandet werden kann, wäre auch die Landung kein Problem gewesen. Die NASA bevorzugte aber für den Fall eine Fernsehkamera die an das Fenster montiert wird und eine Kommandolink zum CSM – dort hätte der Kommandant das Bild sowie die Anzeige der Höhe und Geschwindigkeit gesehen und so das LM ferngesteuert, der Computer war im CSM ja derselbe wie im LM.

Die Apollo 18 Mission

Die Apollo 18 Mission hätte so das LM gelandet und damit sie noch etwas mehr zu tun hat, eine I-Mission durchgeführt. Die I-Missionen waren als reine Mondorbitmissionen geplant. In einer Bucht des CSM wäre dabei Ausrüstung platziert worden. Die Mission schwenkt in einen polaren Orbit ein und überfliegt mindestens einmal die Mondoberfläche, das dauert 15 Tage. Die Experimente kamen dann auch bei Apollo 15 bis 17 zum Einsatz, aber eben mit den Randbedingungen dieser Missionen, das heißt nur geringe Neigung zum Mondäquator und maximal vier Tage im Orbit. Ein Teil der eingesparten Masse ohne Aufstiegstreibstoff (der ja auch weiteren Treibstoff für den Abstieg nötig macht) hätte man für eine längere Mission investieren können. Interessant wäre natürlich die komplette Mondkartierung gewesen. Apollo hatte Kameras an Bord die von den KH-4 Spionagesatelliten abstammten und eine hervorragende Auflösung hatten, die erst vier Jahrzehnte überboten wurde. Bei genügend Film hätte eine Mission den ganzen Mond kartieren können. Apollo 15 bis 17 hatten zwei Kameras in der SIM-Bay, eine Panoramakamera und eine Mappingkamera, beide aus militärischen Vorläufern entwickelt. Die niedriger auflösende Mapping Kamera lieferte auf 460 m Film bei einer Mission etwa 3.300 Aufnahmen, die aus 110 km Höhe 57,6 Millionen Quadratkilometer (keine Überlappung angenommen) abdeckten, die höher auflösende Panoramakamera bildete auf 1.650 Aufnahmen 12 Millionen Quadratkilometern ab. Der Mond hat eine Oberfläche von 38 Millionen Quadratkilometern. Ohne Filmaustausch wäre bei überlappenden Aufnahmen also bei der Mappingkamera der ganze Mond abbildbar. Bei der Panoramakamera müsste der Film mehrmals gewechselt werden. Doch da keine Bodenproben zurückgeführt werden müsste es genügend Stauraum geben. Weitere Experimente die Apollo durchführte, war die Bestimmung der Radiogenen Elemente aus dem Orbit womit man Gesteine charakterisieren kann und einfache Höhenprofilmessungen. Herausragend wären aber die Aufnahmen gewesen, weil sie selbst nach Jahrzehnten noch in Auflösung und Bildformat unübertroffen waren. Hier konnte Apollo auf die Expertise der militärischen Aufklärung auch mit Satelliten zurückgreifen.

Die Apollo 19 Mission

Nachdem mit Apollo 18 so der Mondlander als Habitat abgesetzt worden wäre und eine Erkundung aus dem Mondorbit erfolgt wäre, wäre Apollo 19 gelandet. Mit zwei Startrampen wäre das theoretisch sogar nahezu zeitgleich möglich, allerdings in der Praxis durch den Personalabbau sowohl bei der Missionskontrolle wie auch beim Kennedy Space Zentrum wohl nicht.

Durch den Rover, mit dem am Stück über 10 km zurückgelegt wurden, müssten die Astronauten nicht einmal nahe des ersten Lunar Moduls landen. Sie hätten bei ihrem Landemodul die ALSEP Stationen ausgebracht, drei Tage lang die Umgebung erkundet. Dann hätten sie es eingemottet für den Rückstart und wären dann zum zweiten Lunar Modul gewechselt. Dort wiederholt sich das Spiel: Installieren der Alsep Stationen, erkunden der Umgebung mit einem zweiten Rover. Eventuell müsste man hier die Batterien des Rovers wechseln. Die Originalbatterien hatten eine Kapazität von 8 kWh, mit hoher Redundanz, für eine Mission wurden 2 kWh nominell benötigt. Bei einem maximalen Stromverbrauch von 180 Watt pro Motor an jedem Rad, und einer typischen Geschwindigkeit von 9 km/h hätten die 8 kWh für mindestens eine Strecke von 100 km ausgereicht. (Nebenbei bemerkt schlägt das Mondauto obwohl es voll geländegängig ist auch heute noch jedes Elektroauto hinsichtlich Energieverbrauch und Batteriegewicht (27 kg)

Die Dauer der Mission kann ohne Heizmöglichkeit für das Lunar Module maximal einen Montag betragen. Dieser dauert 14,75 Tage, ist aber nicht voll nutzbar. Sowohl der Start wie auch die Landung dürften nicht bei niedrigem Schattenstand stattfinden, realistisch denke ich sind 12 bis maximal 14 Tage möglich, das wäre aber immerhin noch viermal so lange wie bei einer normalen J-Mission und das für den doppelten Aufwand.

Sicher wäre einiges an Aufwand nötig. Viele Dinge die nicht auswechselbar gedacht waren wie Batterien oder Filmkapseln hätte man umkonstruieren müssen, doch fundamentale Hindernisse hätte es nicht gegeben.

Landung auf der Mondrückseite

Die interessanteste Möglichkeit wäre natürlich gewesen, das man auf der Mondrückseite landet. Diese unterscheidet sich deutlich von der Mondvorderseite die uns zugewandt ist. Es gibt dort weniger Einschlagsbecken und mehr alte Hochlandgebiete. Harrison Schmidt lies für die Apollo 17 Mission Landetrajektorien für die Mondrückseite berechnen, blitzte dabei aber bei der Missionsleitung ab, da während der Landung keine Kommunikation möglich wäre und danach auch nur über das Mutterschiff, das weiterhin den Mond umkreist, aber auch nicht life sondern Ron Evans müsste alles beim Überflug aufzeichnen und auf der Mondrückseite wieder abspielen. Das widersprach den Missionsregeln.

Aber es gibt eine Lösung. Die gleiche wie heute: man platziert einen Kommunikationssatelliten der für eine lückenlose Übertragung sorgt. Schon damals wurden Kommunikationssatelliten genutzt um die Daten der beiden Empfangsstationen in Australien und Spanien nach Houston zu übertragen. Dafür kamen Intelsat III Datelliten zum Einsatz.

1971 startete der erste Satellit der Nachfolgegeneration. Hier einige Daten von Intelsat IV

• Startgewicht: 1.414 kg
• Brennschlussgewicht: 736 kg
• Kapazität: 12 C-Band Transponder, je 36 MHz Bandbreite
• Antennendurchmesser: 1,20 m.

Die Kapazität brauchen wir bei weitem nicht, die Bandbreite lag bei den Apollolandungen bei 5,5 MHz, so hätte ein einziger Transponder genügt.

Es gibt eigentlich drei Fragen zu klären:

• Hätte man einen Intelsat IV in einen Übertragungsorbit platzieren können?
• Wäre er auf der Erde empfangbar gewesen?
• Wäre auch vom Mond aus alles zu Intelsat IV übertragbar gewesen?

Ich fange mit Frage 2 an die ist am leichtesten zu beantworten. Als Kommunikationssatellit ist Intelsat ausgelegt mit hoher Sendeleistung kleine Antennen zu bedienen. Das DSN hatte damals schon hochempfindliche große Antennen, zudem beträgt die Bandbreite, die benötigt wird, nur ein Sechstel eines Transponders, was die Sendeleitung pro Bit erhöht. Das DSN hätte keine Probleme die Daten von Intelsat aus Mondentfernung zu empfangen.

Die zweite Frage wirft die Frage nach dem Orbit auf. Heute würde man einen Halo-Orbit wählen, einen elliptischen, langzeitstabilen Orbit. Damals wäre ein langzeitstabiler Orbit wohl in einem der beiden Librationspunkten 60 Grad vor oder nach dem Mond gewesen. Doch diese Punkte haben Nachteile. Die Sichtbarkeit dr Mondrückseite ist nicht besonders hoch und die Distanz zur Mondoberfläche relativ groß. Ich wäre für einen 24-Stunden Orbit. Das wäre ein lunarer Molnja-Typ Orbit, also ein elliptischer Orbit von etwa 200 km Perilunäum und einem Apolunäum von 15.856 km. Das Apolunäum liegt über der Landestelle. In seinem solchen Orbit befindet sich Intel IV 16 von 24 stunden in Empfangsposition für die Mondmission und ist auch weit genug vom Mond entfernt, als das der Mond nicht die Kommunikation mit der Erde behindert. Die Distanz ist viel kleiner als zu einem der Librationspunkte und die Position ist optimal auf die Landestelle ausgerichtet. Ein solcher Orbit ist nicht langzeitstabil, aber mit vertretbarem Treibstoffvorrat kann Intelsat einige Monate in dem Orbit gehalten werden. Da er nur für eine Mission benötigt wird, ist das tolerierbar.

Das nächste ist der Einschuss in den Orbit. Das Δv für eine TLI ist etwa 10,94 km/s. Am Mond muss man um etwa 330 m/s abbremsen. Eine Atlas Centaur D kann etwa 950 kg auf eine TLI bringen. Stattet man Intelsat IV mit Hydrazintriebwerken aus, die einfachste Möglichkeit, und entfernt man den Feststoffantrieb, der leer etwa 40 kg wiegt, so kann man bei eienr Trpckenmasse von 690 kg rund 200 kg Hydrazin zuladen, das reicht für eine Geschwindigkeitsänderung von 520 m/s, mehr als genug. Damit könnte der Satellit mindestens zwei Jahre im Orbit gehalten werden.

Die letzte Frage nachd er Datenrate vom Mond zum Intelsat ist am schwersten zu beantworten. Denn die Rover- und LM-Antennen sind klein und sendeschwach. Idealerweise würde man im C-Band bei 4 GHz senden, in dem Band in dem auch die Transponder von Intelsat arbeiten, aber da die Sender und Empfänger bei Apollo im S-Band arbeiten wird man wohl eher Intelsat IV auf S-Band Sender und Empfänger umrüsten. Ich habe es simuliert. Ich bin von 90 cm großen Parabolantennen beim Rover und 1,20 m großen Empfangsantennen beim Intelsat ausgegangen. Die 6 Mbit/s, die maximal benötigt werden können, in maximaler Distanz von 16.000 km mit 17 Watt Sendeleistung erreicht werden. Das ist durchaus eine damals übliche Sendestärke. Zu den 26 m Antennen die 1969 noch die Nicht-US Komplexe als größte Antennen hatten wär übrigens aus Mondentfernung die Datenrate fast dieselbe gewesen. So spricht viel dafür das Apollo auch mit dieser Sendestärke arbeitete.

Es würde also funktionieren. Man würde einen Intelsat IV Satelliten mit einer Atlas Centaur D separat starten. Bei der Nachfolgegeneration Intelsat IVA, die ab 1977 startete und dann schon inflationsbedingt teurer waren kostete ein Satellit 24 Mill. Dollar, der Start weitere 23 Mill. Dollar, beides keine großen Posten verglichen mit den 425 Millionen Dollar die eine Apollo J-Mission kostete.

Fazit

Nun wissen wir ja alle, das es nicht dazu kam, man strich ja gerade die Missionen um Geld zu sparen. Ich halte das nach wie vor für eine extrem kurzsichtige Entscheidung. Die Hardware war ja bezahlt. Das machte bei der Apollo 11 Mission alleine 209 von 350 Millionen Dollar aus. Das Nicht-Starten sparte 72 Millionen Dollar ein, die Reduktion der Bodenmannschaft einen Teil der 69 Millionen Dollar für das Bodensegment. In jedem falle ist die Ersparnis viel kleiner als das was man schon für die Hardware ausgegeben hat.