Thor Agena A und KH-1
Heute gibt es wieder als Blog-Artikel einen kleinen Auszug aus dem aktuellen Buchmanuskript. Diesmal der Artikel über die Thor Agena A, eine der frühen Versionen die nicht oft flog. Der Artikel ist trotzdem länger geworden, weil eine der Neuerung, die ich beim laufenden Manuskript eingeführt habe, ist das ich auch etwas mehr über die Satelliten schreibe, sofern es möglich ist über die Ursache von Fehlstarts. Das geht nicht immer, aber sehr gut, wenn eine Rakete fast nur einen Satellitentyp gestartet hat wie eben die Thor Agena A, die nur die KH-1 Fotoaufklärer startete.
Wer die technische Beschreibung der Agena vermisst, die findet sich in einem anderen Kapitel.
Und keine Angst, bei mittlerweile rund 460 Seiten bleibt noch genügend Neues übrig was nicht vorher im Blog veröffentlicht wurde. Die Erfolgsbilanz des Discovererprogramms erinnert mich mit den vielen Fehlschlägen an ein aktuelles Programm. Mal sehen. Von der ersten Serie lieferte Disoverer 14 die Ergebnisse die man sich erhoffte, ob das aktuelle Projekt das auch schafft?
Den ersten Einsatz hatte die Agena auf der Thor, obwohl sie für die Atlas entwickelt wurde. Es ist heute in der Projektgeschichte nur schwer zu unterscheiden zwischen der Agena und den Keyhole-1 Satelliten. Sie entwickelten sich aus einem gemeinsamen Vorläuferprojekt. Da Lockheed Satellit und Stufe fertigte und beide zu einer Einheit verschmolz, ist es schwer sowohl die Projektgeschichte, wie auch die finanzieren unabhängig zu sehen. Die Geschichte beider Projekte beginnt, nachdem das Projekt WS-117L eingestellt wurde und das CORONA-Projekt imitiert wurde.
Am 18. April 1958 wurden 7 Millionen Dollar für „schwarze Projekte“, also ohne Angabe, wofür genau sie verwendet werden und 24 Millionen für die Entwicklung der Agena und Anpassung der Thor genehmigt. Das waren 11 Millionen Dollar mehr als noch vor neun Tagen beantragt. Die Kosten für das anspruchsvolle CORONA Projekt stiegen auch rasant an. Zum selben Zeitpunkt nahm man einen Finanzierungsbedarf von 78,5 Millionen Dollar für das CORONA-Projekt mit 19 Flügen an, doch schon im Oktober ergaben neue Zahlen von Lockheed einen Gesamtbedarf von 129 Millionen Dollar (1.447 Millionen im Wert von 2025). Als Folge wurden vier Flüge gestrichen, darunter als Tarnung vorgesehene, rein wissenschaftliche Flüge mit biomedizinischer Ausrichtung. Da die Satelliten eine Kapsel zur Erde zurückbringen konnten, wollte man so den Einfluss des Weltraums auf Tiere untersuchen.
Demgegenüber wollte die CIA sogar 20 Flüge. Es knirschte hinter den Kulissen, denn finanziert wurde das Programm von der ARPA, einer Forschungsbehörde, die dem Verteidigungsministerium unterstand. Die Aufklärung war aber Aufgabe der CIA. Die CORONA-Satelliten und die Agena fertige Lockheed. Die Triebwerke stammten von Aerojet.
Mit dem Einsatz der Agena begann die Karriere der Thor als militärische Trägerrakete. Die KH-1 bis 4 Satelliten sollten die zukünftige Hauptnutzlast werden. Bis 1960 erkundeten die USA mit U-2 Flugzeugen in großer Höhe die Sowjetunion. Der Abschuss einer U-2 mit dem Piloten Gary Powers am 1. Mai 1960 zeigte, dass die U-2 durch ihre Flughöhe von über 20 km nicht mehr geschützt waren. So wurde die Entwicklung der Aufklärungssatelliten forciert und die U-2 Flüge deutlich reduziert.
Angegeben wurde bei den Thor Agena A Starts nur die Orbitalmasse, also die Summe von Satellit und Agena A Oberstufe, da diese fest miteinander verbunden waren. Die reine Nutzlast war bedeutend kleiner als Orbitalmasse. Während diese mit rund 590 bis 835 kg angegeben wurde, entfiel nur ein kleiner Teil auf den Satelliten. Da die Avionik des Satelliten in der Agena verbaut war, ist es schwer zu sagen, wie viel der Discoverer Satellit wog. Mit Agena A wog der erste Discoverer je nach Quelle 590 bis 669 kg. 78 bis 140 kg soll die Nutzlast ausgemacht haben. Vor dem Start von Discoverer I entfernten Techniker Teile der nicht tragenden Struktur der Agena A, denn die wog 544 kg. Damit verringerte Lockheed ihr Gewicht, damit der Satelliten überhaupt in einen Orbit kam. Es gab, nachdem einige Satelliten nicht den Orbit erreicht hatten, ein „Gewichtsreduktionsprogramm“ bei der Thor und Agena. Weiterhin wurde die Thor betrieben, bis ihr der Treibstoff ausging. Normal war sie bei Erreichen einer vorgegebenen Endgeschwindigkeit sie abzuschalten. Die erste Agena nutzte auch noch JP-4 als Treibstoff.
Die Tatsache, dass bei der Trennung von der Thor durch das Verbrennen des ganzen Treibstoffs ihre Endgeschwindigkeit nicht bekannt war, verbunden mit der niedrigen Einschussbahnhöhe erforderte, dass die Agena auf 1,1 Grad genau auf den Horizont ausgerichtet wurde und die Zielgeschwindigkeit auf 30 m/s genau erreichte. Die Gewichtsreduktion führte dazu, dass in jedem Falle ein Orbit erreicht wurde, er war nur dann eben elliptisch.
Von den 405 Minuten des Countdowns der Rakete entfielen die ersten 390 Minuten auf die Überprüfung der Agena und nur die letzten 15 min auf die Thor. Sie war als Militärrakete ausgelegt, innerhalb von 15 Minuten zu starten. Die Thor Agena A setzte den Triebwerksblock DM 1812 ein. Er basierte auf dem DM18A und wurde für die Thor Able modifiziert. Die wesentliche Änderung war das Entfernen der Nasensektion. Da die Agena A fast den gleichen Durchmesser wie die Thor ab dem oberen Abschluss hatte, (1,52 Agena, 1,60 m) Thor konnte hier Gewicht eingespart werden. Die Thor erhielt eine einfache Steuerung auf Basis einer Radiolenkung. Diese wog 68 kg. Das bei den IRBM eingesetzte autonome System wurde entfernt, weil die Agena ihr eigenes Steuersystem hatte. Anders als andere frühe Thors hatte die Thor keine Finnen an der Basis.
Zwar wurde nach dem Brennschluss der Thor die Agena A von der Thor getrennt. Sie zündete jedoch erst nach 321 s, auf dem Gipfelpunkt der ballistischen Aufstiegsbahn, da sie nicht wiederzündbar war. Sie musste so erst die richtige Bahnhöhe erreichen. Diese Freiflugphase ist energetisch ungünstig und kostete Nutzlast. Nach 456 Sekunden war eine niedrige Umlaufbahn erreicht. Das ließ noch Treibstoff für 5 Sekunden Brennzeit in den Tanks. Gesteuert wurde die Brennzeit der Agena A durch einen Timer, der beim Abheben gestartet wurde. Es gab keine aktive Vermessung der Bahn. Der Brennschluss erfolgte zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt. So wurden nur elliptische Bahnen erreicht. Discoverer I hatte zum Beispiel einen Orbit mit einem erdnächsten Punkt von 159 km und einer erdfernsten Distanz von 952 km.
Die Agena A transportierte nur die „Discoverer-Satelliten“, eine Tarnbezeichnung für die ersten Foto-Aufklärungssatelliten der USA. Alle Starts fanden zwischen 1959 und 1960 statt. Dies zeigt, wie wichtig dieses Programm für die USA war. Dabei gab es zahlreiche Rückschläge. Viele der Satelliten erreichten keine Umlaufbahn und es gelang lange Zeit nicht, die Kapseln mit den Filmen zu bergen.
Die erste Agena mit der Seriennummer 1019 zündete ihre Treibstoffsammeltriebwerke während eines Probecountdowns am 12.1.1959, noch vor dem ersten Start, als eine fehlerhafte Schaltung Strom zu dem Sequencer der Agena leitete. Die Agena spulte ihr Startprogramm ab, durchtrennte die Verbindung zur Thor, zündete die Treibstoffsammelraketen und warf Verkleidungsplatten für Antennen und den Horizontsensor ab. Durch die Treibstoffsammelraketen bildete sich eine rotbraune Wolke um die Agena und acht Arbeiter liefen um ihr Leben, da sie eine Explosion befürchteten. Im Blockhaus reagierte jemand schnell auf den Alarm und schaltete den Strom zur Agena ab. Die Agena saß nun auf der Thor, mit durchgetrennten Verbindungen in einer Wolke aus Salpetersäure. Erst als diese verflogen war, begann man mit Sicherungsmaßnahmen.
Die Agena 1019 wurde danach verschrottet, die Thor 160, auf der sie saß, dagegen wurde wiederaufbereitetet und für den Start von Discoverer XII im August 1960 eingesetzt. Das war möglich, weil sie noch nicht befüllt war und die Triebwerke der Agena noch nicht gezündet hatten.
Da die Agena nur diese eine militärische Nutzlast beförderte, hier eine kleine Geschichte der ersten Discoverer Satelliten. Das Programm steigerte die Komplexität iterativ. Die Agena A startete die erste Generation „Keyhole 1“, abgekürzt KH-1. Der interne Projektname war „CORONA C“. KH-1 waren Entwicklungsmuster, sie sollten das komplexe System erproben, bei dem im Orbit Filmaufnahmen gemacht wurden, dann musste der Film in eine Kapsel umgespult werden, die Kapsel zum richtigen Zeitpunkt durch Retroraketen abgetrennt werden und schließlich geborgen werden. Dazu kam, dass auch die Thor Agena parallel qualifiziert wurde, zahlreiche Starts schlugen fehl. So verwundert es nicht, dass diese erste Phase 16 Starts umfasste. Die Satelliten wurden offiziell als Discoverer (Entdecker) bezeichnet, eine Tarnbezeichnung, die noch mehrere Jahre aufrechterhalten wurde. Die Bezeichnung „CORONA“ stammte von der mechanischen Koffer-Schreibmaschine CORONA von Smith LC, auf der die Anträge für das Projekt getippt wurden.
Die Satelliten bestanden aus einer Kapsel an der Spitze, in die der Film nach dem Durchlauf der Kamera landete und die für die Bergung abgesprengt wurde. Der Mittelteil bestand nur aus der Kamera. Die gesamte Elektronik und Batterien zur Stromversorgung befand sich im Instrumentenabteil der Agena. Eine Nutzlastverkleidung gab es nicht, die Satelliten endeten in einer aerodynamisch geformten Spitze. Ein Satellit war nur ein bis zwei Tage lang aktiv. Discoverer 14, der erste Satellit der Aufnahmen erfolgreich zur Erde zurückbrachte, wurde am 18. August 1960 gestartet, schon am nächsten Tag wurde die Kapsel geborgen.
Die Kameras aller Satelliten des Corona-Projektes funktionierten hatten als Optik eine lichtstarke Linse mit 12,7 cm Durchmesser und einer Brennweite von 61 cm bei den ersten Exemplaren. Der 70-mm Film wurde von einer Rolle in der Agena zu einer Spule in der Kapsel durchgezogen. Die Satelliten flogen mit der Spitze in Nord-Süd-Richtung. Bei der Aufnahme drehte sich die Kamera quer zur Flugrichtung und bildete so einen Streifen in Ost-West-Richtung ab. Der Film wurde synchron zur Drehung durchgezogen. Vor dem Film gab es einen Schlitz, durch den das Licht fallen konnte. In 2 Sekunden wurden 1,2 m Film durchgezogen. Durch die Bewegung wurde aus den belichteten Streifen dann ein Bild. Was man erhielt, war ein Streifen von – je nach Orbithöhe 18 bis 30 km in Nord-Süd Richtung – und mehreren Hundert Kilometern in Ost-West-Richtung. Eine Mission nahm so in wenigen Orbits mehrere Millionen Quadratkilometer auf. Bis diese mechanisch aufwendige Konstruktion fehlerfrei funktionierte, brauchte es etliche Anläufe. Die Satelliten waren durch die Lageregelungstriebwerke der Agena dreiachsenstabilisiert. Die durch Retroraketen abgebremsten Kapseln hatten einen Durchmesser von 84 cm und eine Höhe von 67 cm.
Discoverer I hatte keine Kapsel an Bord. Man verlor nach 730 Sekunden die Telemetrie von der Agena und gab offiziell an, dass der Satellit in der Antarktis niederging. Später veröffentlichte CIA-Berichte enthüllten, dass der Satellit einen Orbit erreichte, aber der Telemetrieempfang gestört war und man nur kurzzeitig Daten von ihm empfing. Er verglühte nach 18 Tagen am 17.3.1959.
Discoverer II hatte eine Kapsel an Bord, die wurde durch einen „menschlichen Fehler“ aber eine halbe Erdumkreisung vom Zielpunkt entfernt deorbitiert. Jemand hatte den Zeitgeber falsch programmiert. Die Kapsel landete in der Nähe von Spitzbergen, ein geöffneter Fallschirm wurde beobachtet. Es gab Gerüchte, dass die Sowjets nach der Kapsel suchten und sie eventuell fanden. Die Kapsel enthielt aber nur „mechanische Mäuse“, welche die Belastungen der Mission aufzeichnen sollten. Die ersten Missionen hatten vor allem Forschungscharakter. Es gelang zwischen den beiden Starts die Nutzlast der Thor Agena deutlich zu steigern. Discoverer II wog mit Agena schon 728 kg und gelangte auch in einen etwas höheren Orbit.
Discoverer III und IV erreichten beide durch Unterperformance der Agena keinen Orbit. Bei Discoverer III war die Agena falsch orientiert und der Satellit landete im Pazifik. Der Satellit funktionierte immerhin, erreichte ein Apogäum von 1200 km und funkte Daten über 13 Minuten. Beim nächsten Satelliten war der Schub der Agena zu gering. Discoverer III hatte erneut die mechanischen Mäuse an Bord und gilt als ein Instrumentierungs- / Forschungsflug, Discoverer IV verfügte erstmals über eine Kamera.
Discoverer V und VI erreichten einen Orbit, doch ihre Kameras fielen im ersten bzw. zweiten Umlauf aus. Bei Discoverer V war die Temperatur an Bord zu gering und Messungen legten nahe das der Film nicht vom Behälter in die Kamera gelangte. Die Kapsel wurde nach einem Tag abgetrennt, aber die Retroraketen erhöhten das Apogäum bis auf 1.703 km Höhe anstatt es abzusenken. Ebenso gab es keine Telemetrie von der Kapsel. Sie blieb bis zum 11.2.1961 im Orbit, während Discoverer 5 am 28.10.1959 verglühte. Das der Film stecken blieb wiederholte sich beim Nachfolger, wahrscheinlich aufgrund der gleichen Ursache. Diesmal wurde die Kapsel deorbitiert, konnte aber nicht gefunden werden.
Nach zwei Problemen mit dem Film und einem mit den Retroraketen hielt man das Programm an und begann die folgenden Missionen neu zu planen, mit besserer Instrumentierung auszustatten, um Probleme zu erkennen, auch wenn man dafür auf Ausrüstung verzichtete.
Discoverer VII erreichte durch Unterperformance der Agena einen zu niedrigen Orbit. Über den Betrieb der Kamera gibt es keine Angaben, aber die Kapsel trennte sich nicht vom Satelliten.
Discoverer VIII erreichte einen unbrauchbaren, zu exzentrischen Orbit mit einem 1.670 km hohen Apogäum für eine Bergung. Die Kamera fiel erneut vorzeitig aus. Die Kapsel konnte so nicht durch den Timer am Bord automatisch abgetrennt werden, das Kommando wurde manuell gesandt. Telemetrie wurde von einem Bahnverfolgungsschiff bei Alaska empfangen und die Daten zeigten, dass die Kapsel 370 km vorm Kurs entfernt war. Im Gebiet konnten Flugzeuge den Aufschlag im Pazifischen Ozean beobachten, der Fallschirm hatte sich nicht geöffnet und sie versank im Meer. Es wurde vermutet, dass der keramische Schutzschild, der die Kapsel beim Start schützte, nicht abgetrennt wurde und sie so zu schwer war.
Aber man hatte nun wenigstens Daten, um zu erkennen, wo das Problem beim Filmtransport lag. Das nützte bei den beiden nächsten Starts aber nichts, denn in beiden Fällen versagte die Thor und Discoverer IX und X wurden zerstört. Beim Discoverer IX hatte die Thor nach 145,1 Sekunden vorzeitig Brennschluss, die fehlende Geschwindigkeit konnte die Agena nicht aufbringen, sie hatte weil sie zu schon vor dem Start mit wenig Helium befüllt hatte selbst vorzeitig Brennschluss
Beim Nachfolger wich die Thor vom Kurs ab und wurde nach 56,4 Sekunden vom Range Safety Officer gesprengt. Immerhin funktionierte ein neues Kühlsystem beim Aufstieg, bei dem Wasser verdampft wurde und der Dampf die Wärme abführte, bei Discoverer IX.
Bei Discoverer XI versagte erneut das Bergungssystem. Das war eine große Enttäuschung, da man endlich das Problem der Kameraausfälle auf den Film zurückführen konnte. Die Acetatbasis versprödete und wurde durch eine Polyesterbasis ersetzt. Messungen zeigten, dass die gesamten 16 Pfund (ca. 7 Kilogramm) Film in die Rückkehrkapsel umgespult wurden. Doch bei der Abtrennung der Kapsel zündeten die Raketen nicht, die sie in eine schnelle Rotation zur Stabilisierung bringen sollten. Sie explodierte beim Wiedereintritt.
Die beiden folgenden Flüge verzichteten daher auf die Kamera und führten noch mehr Instrumente zur Diagnose mit. Discoverer XII erreichte durch eine Fehlausrichtung der Agena keinen Orbit. Ihr Horizontsensor fiel aus, und die Nase zeigte so 6 Grad nach unten.
Das ganze CORONA-Programm stand nun auf der Kippe, denn in wenigen Monaten sollte das konkurrierende SAMOS-Programm auf einer Atlas Agena starten – SAMOS verwandte auch eine hochauflösende Kamera, verzichtete aber auf die Rückführung des Films und entwickelte ihn an Bord und tastete ihn dann punktweise ab und übertrug die Daten. Später wurde die SAMOS-Kamera für das Lunar Orbiter Projekt eingesetzt, wo sie exzellente Bilder der Mondoberfläche lieferte. SAMOS umging daher die Bergung des Films, die bei 12 Starts bisher nicht geklappt hatte Die Projektverantwortlichen fürchteten daher, dass CORONA eingestellt wird.
Durch die Instrumentierung fand man Lockheed heraus, was das Problem bei der Abtrennung der Kapseln war: die Retroraketen mit Festtreibstoff konnten, wenn sie nicht simultan gezündet wurden, die Kapsel nicht abbremsen, sondern in einen höheren Orbit befördern. Man ersetzte sie durch ein System, das Kaltgas nutzte.
Discoverer XIII war der zweite nur instrumentierte Satellit und der erste Satellit, der die Kapsel erfolgreich 320 km von Hawaii entfernt niedergehen ließ. Helikopter fischten sie einige Stunden später aus dem Wasser. Die Kapsel wurde dann zwei Tage später von Präsident Eisenhower als erstes Objekt präsentiert, dass vom Weltraum wieder zurückkam. Ohne Kamera enthielt sie aber keinen Film.
Discoverer XIV hatte wieder eine Kamera an Bord. Erneut klappte das Bergen der Kapsel, obwohl sie 430 Meilen (ca. 692 km) vom Zielgebiet entfernt niederging. Diesmal wurde sie in der Luft von einer C-119 eingefangen. Dazu flog die Maschine mit einem V-förmigen Vorbau auf die Fallschirmleinen zu. Die Seile verhedderten sich an dem Vorbau und so wurde die Kapsel im Flug eingefangen.
Die Bilder waren von „außergewöhnlicher Qualität“, die erwartete Auflösung wurde erreicht. Diese einzige Mission brachte als wichtigste Erkenntnis, dass es die befürchtete „Raketenlücke“ nicht gab. Damals mutmaßten die USA, die Sowjetunion verfügte über viel mehr Interkontinentalraketen als sie selbst. Tatsächlich verfügten die USA damals über doppelt so viele Interkontinentalraketen wie die UdSSR. Sie waren auf die Propaganda hereingefallen: Chruschtschow behauptete, die Sowjetunion würde „Raketen wie Würstchen am Fließband“ produzieren. Diese einzige Mission entdeckte 64 bisher unbekannte Luftwaffenstützpunkte, 26 Boden-Luft-Abschussbatterien und das bisher unbekannte Startzentrum der Sowjets in Plessezk. Discoverer XIV lichtete 4,2 Millionen km² der UdSSR ab, die Auflösung des Films betrug 55 Linien/mm, was minimal 11 m Auflösung entsprach. 914 m Film, fast die ganzen 9 kg, die mitgeführt wurden, wurden geborgen.
Der letzte Discoverer der ersten Serie (XV) funktionierte problemlos, bis die Kapsel gebrogen werden sollte. Wieder ging sie außerhalb des Zielgebietes nieder und versank im Pazifik bevor sie geborgen werden konnte. Die Ursache war eine falsche Orientierung für den Wiedereintritt kombiniert mit einem Zeitgeber, der falsch programmiert war.
15 der Starts waren sechs Fehlstarts, vier aufgrund der Agena und zwei auf das Konto der Thor. Aber das System wurde nicht aufgegeben. 1960 wurden 130 Flüge für CORONA mit einem Umfang von über 1,3 Milliarden US-Dollar geplant. Das erwies sich als präzise Prognose, denn es fanden genau 130 Starts der KH 1-4 Generation statt. 1959/60 fanden 31 Starts der Thor mit vier Oberstufen statt (Agena, Able, Ablestar, Delta), 19 davon entfielen auf die Agena A und B. Die Masse im Orbit (mit Agena) lag zwischen 618 kg (Discoverer 1) und 920 kg (Discoverer 7). Die Angaben sind aber nicht offiziell bestätigt.
Die Thor Agena A war die erste Trägerrakete, welche von der Vandenberg Air Force Base (VAFB) aus startete. Genutzt wurden die beiden Rampen 75-3-4 und 75-3-5, die für Thor IRBM CTL-Tests errichtet wurden. Das VAFB bot neben der militärischen Geheimhaltung den Vorteil, dass von VAFB Starts in einen polaren oder sonnensynchronen Orbit möglich sind. Dadurch kann die gesamte Erdoberfläche überwacht werden. Die amerikanische Ostküste und Inseln in der Karibik erlaubten vom Cape aus (ohne ungünstige Kurven zu fliegen) nur eine Bahnneigung von 27 bis 57 Grad. Der Start von Vandenberg, deckt dagegen den Bereich von 54 bis 104 Grad Inklination ab.
Referenzen:
R. Cargill Hall „Agena Draft History“, November 1966
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Thor_DM-18_Agena-A_launches
„Thor the Workhorse of Space“, Douglas, 1972 MDC GC370
Dwayne A. Day: „Things that almost go boom“, The Space Review 4813
Dwayne A. Day: Lost over the horizon: Discoverer 1 explores Antarctica, The Space Review 1347
Dwayne A.Day: „Has anybody seen our satellite?“, The Space Review 1352
Dwayne A. Day: „This spacecraft will self-destruct in 5, 4, 3, 2…“, The Space Review 5079