Home Raumfahrt Raumsonden Einzelne Programme Site Map counter

Mariner 1+2

Einleitung

Mariner 1Mariner 1+2 waren die ersten Planetensonden der USA. Nach dem Wettrennen zum Mond sich mit der Sowjetunion auch ein Wettrennen bei der Planetenerforschung lieferte. Mariner 2 lieferte die ersten zuverlässigen Daten über die Atmosphäre der Venus, auch wenn man diesen damals nicht ganz glaubte. Wie bei den meisten anderen Sonden des Marinerprogramms startete man diese im Doppelpack, um bei einem Fehlstart wenigstens eine Sonde zur Venus senden zu können. Mehr über das gesamte Mariner Programm finden Sie in diesem Aufsatz.

Die Raumsonde

Mariner 1+2 waren identische Sonden die zur Venus fliegen sollten. Wie alle anderen Mariner Sonden wurden Mariner 1+2 vom JPL entwickelt und gebaut. Wesentliche Teile des Designs wie das Gehäuse, Sender, Parabolantenne, Sequenzer und Instrumentenmast waren von dem Ranger Block I Sonden übernommen. Mariner 1+2 bestanden aus einem sechseckigen Gehäuse von 36 cm Höhe, 76.2 cm Kantenlänge und 1.04 m Diagonale. Das leichtgewichtige Magnesiumgehäuse enthielt Einschübe für Elektronik, Batterien, Sender und Empfänger, aber auch Treibstoff und Raketentriebwerke. Darunter befand sich ein Schirm der vor der Hitze bei der Venus schützen sollte. Er bestand aus einer mit Aluminium beschichteten Folie. Direkt unter dem zentralen Gehäuse war ein weiterer Hitzeschild aus Aluminium in einer Sandwich Struktur. Passiv wurde die Sonde durch Bemalung, Aluminiumschilde, Goldfolie und polierte Aluminiumplatten in der Temperatur geregelt. Dieses Verfahren wurde in einer Vakuumkammer des JPL mit einem simulierten Temperatumodell erprobt. Jalousien an dem Einschub der Lageregelung erlaubten es Hitze nach außen abzugeben und so die Temperatur unter 54 Grad Celsius zu halten. Neben Teilen aus dem Ranger Programm wurden auch schon entwickelte Teile für das Mariner A Programm verwendet.

Die gesamte Struktur wog lediglich 38.6 kg.

Energieversorgung

Wie bei Ranger wurde auf diesem ein pyramidaler Mast von 1.52 m Höhe montiert, der die Experimente aufnahm. Zwei Solarpanel von 183 bzw. 152 cm Länge und 76 cm Breite (Die restlichen 31 cm auf dem linken Panel waren nicht belegt) lieferten 148 Watt in Erdnähe, 222 Watt bei der Venus (gesamte Fläche 2.30 m²). Mit den Solarpanel hatte die Sonde eine Spannweite von 5.05 m. Eine wiederaufladbare 15.1 kg schwere 1000 Wattstunden Silber-Zink Batterie diente für Stromspitzen und wenn die Solarpanel nicht beleuchtet waren. Sie diente auch als Backup für einen Ausfall der Stromversorgung durch die Rakete und zur Stromversorgung bis die Solarpanels entfaltet waren. Die Batterien konnten Strom für 9.5 Stunden Betrieb liefern. Der mittlere Stromverbrauch lag bei 151 Watt. Die 9800 Solarzellen waren mit einer Glasplatte bedeckt worden um einen Abfall der Leistung durch die UV Strahlung zu verringern.

Ein Spannungswandler stellte 3 Stromspannungen zur Verfügung: Eine 50 V 2400 Hz Wechselspannung, eine 26 V, 400 Hz Wechselspannung und eine variable Gleichspannung von 25.8 bis 33.3 V (abhängig von der Leistung der Solarpanels). Das gesamte Energieversorgungssubsystem machte mit 46.8 kg ein Viertel der Startmasse aus.

Kommunikation

Die Kommunikation zur Erde geschah mit einem 3 Watt Sender im L-Band bei 960 MHz über eine 1,2 m große parabolische Hochgewinnantenne an der Seite und eine Niedriggewinnantenne mit einem 1 Watt Sender am Ende des Mastes. Die Datenraten betrugen je nach Entfernung 8.33 oder  33.33 Bit/s. (Bei der Venus nur 8.33 Bit/sec). Von der Erde wurden Kommandos über zwei Niedriggewinnantennen an den Enden der Solarpanels empfangen. Die Ausrichtung der Parabolantenne an einem Ausleger erfolgt durch einen Erdsensor, der die Antenne nach der Erde nachführt. Sie hatte, bedingt durch die niedrige Funkfrequenz einen relativ großen Öffnungswinkel von 16,83 Grad. Insgesamt hatten Mariner 1+2 jeweils 4 Antennen an Bord.

Elektronik

Gesteuert wurde die Sonde durch einen digitalen Sequenzer, einen Vorläufer eines Computers. Ein Sequenzer konnte Aktionen zeitgesteuert durchführen. Es gab Kommandos an die Sonde wie z.B. "Drehen um 45 Grad um die X-Achse". Diese wurden mit einem Zeitindex versehen, wann sie ausgeführt werden sollten, und dann in einem Speicher abgelegt. Eine interne Uhr (Timer) las dann das Kommando zum richtigen Zeitpunkt aus und führte es aus. Diese Uhr hatte eine Frequenz von 307.2 KHz. Dieser Zentraltakt wurde durch Division durch 8 auf 38.4 KHz für das Stromversorgungssubsystem reduziert und aus diesem 38.4 KHz Takt wurden die 2400 und 400 Hz Wechselspannungen generiert. Die Elektronik wurde vom Marinier A+B Programm übernommen.

Mariner 1-5 verwendeten alle denselben Sequenzer. Aus den Angaben der Messzyklen der Experimente kann man eine Zykluszeit von 8.64 Sekunden für den Sequenzer ableiten. (10000 Zyklen = 1 Tag). Mariner 1+2 waren noch einfache Sonden - Man kann mit 14 Kommandos für die Steuerung der Sonde aus. Maximal drei Sequenzen konnte der Sequenzer parallel abarbeiten.

Die Datenrate war so gering, dass die Elektronik eine Zeitschaltuhr beinhaltete die 20,16 s lang wissenschaftliche Daten übertrug, danach 16,83 s lang Telemetrie, danach wieder Daten der Experimente. Diese Datenrate wurde über die "Cruise" Phase beibehalten. Erst bei der Annäherung an den Planeten, wo die Instrumente nur rund eine Stunde lang aktiv waren, wurden nur wissenschaftliche Daten übertragen. Es gab noch keine Möglichkeit die Daten zwischenzuspeichern.

Der Sequenzer wog 5.1 kg. Die gesamte Elektronik 37.3 kg.

Lagereglung

Das zentrale 225 N Triebwerk diente der Steuerung der Sonde und wurde von Ranger übernommen, obgleich es für eine Sonde dieser Größe völlig überdimensioniert ist. Als Treibstoffe diente Hydrazin und Stickstofftetroxid zur Zündung. Es gab eine Schubvektorsteuerung in 4 Raumrichtungen. Die Geschwindigkeit konnte insgesamt um 60 m/s geändert werden. Ein Accelometer mit Pulssteuerung erlaubte eine Kontrolle der Geschwindigkeitsänderung. Jeder Impuls entsprach einer Geschwindigkeitsänderung um 0.03 m/s. Die Zündung erfolgte ungewöhnlich: Pellets aus Aluminiumoxid in der Brennkammer wurden mit Stickstofftetroxid getränkt, dann wurde das Hydrazin eingelassen, dass sich dann bei Kontakt mit dem Stickstofftetroxid entzündete. Der Druck im Hydrazintank wurde durch Helium aus einer Druckgasflasche aufrecht erhalten. Insgesamt wurden 14.2 kg Treibstoffe mitgeführt, davon 6.6 kg Hydrazin. Das Triebwerk hatte eine minimale Betriebsdauer von 0.2 Sekunden und konnte bis zu 50 Sekunden lang betrieben werden. Die kleinste Geschwindigkeitsänderung betrug 0.2 m/s. die größte 45.1 m/s.

Die Lage im Raum wurde durch ein Kreiselsystem mit drei Kreiseln kombiniert mit 6 Sonnensensoren festgestellt. Dazu kam ein Erdsensor an der parabolischen Antenne. Kleinere Änderungen der Ausrichtung erfolgten mit 10 Kaltgasdüsen betrieben mit Stickstoff aus zwei Drucktanks aus Titan. Insgesamt 1.96 kg wurden mitgeführt. Die Düsen des Kaltgassystems waren in 4 Gruppen von zweimal 3 und zweimal 2 Düsen angeordnet. Der Druck im Stickstofftank betrug anfangs 246 Bar, nahm jedoch mit dem Verbrauch des Stickstoffs ab. Der Druck in den Düsen betrug 1 Bar nach Druckminderung. Der Gasvorrat war für eine Betriebsdauer von 200 Tagen ausgelegt worden.

Die Ausrichtungsgenauigkeit betrug 1 Grad. Eine logische Schaltung setzte Änderungen der Gyroskope in Betätigungen der Kaltgasdüsen um. Ein Rollmanöver dauerte 12 Minuten. Eine Drehung um die Nick- oder Gierachse 22 Minuten. Dabei wurde die Sonde durch die Düsen solange gedreht bis das Signal des Sonnensensors beziehungsweise Erdsensors (einer Photomultiplier Röhre) Null wurde.

Das gesamte Lagereglungssubsystem wog 38.4 kg.

Die Gesamthöhe der Sonde betrug 3.66 m, die Spannweite 5.05 m. Die Startmasse betrug 202.8 kg. Mariner 1+2 bestanden aus insgesamt 54000 Einzelteilen und sollten 2500 Stunden lang arbeiten (104 Tage). Das war ein damals sehr anspruchsvolles Ziel, schließlich war der erste Satellit gerade einmal 4 Jahre vorher gestartet worden und die Ranger Sonden auf denen die Konstruktion basierte sollten nur 65 Stunden lang arbeiten.

Die wichtigsten Subsysteme der Sonde:

System Gewicht
Struktur + Mechanik 38.6 kg
Elektronik 32.2 kg
Sequenzer 5.1 kg
Solarpanel 21.8 kg
Batterie 15.0 kg
Stromversorgungssubsystem 10.0 kg
Lageregelung 22.2 kg
Pyrotechnik und Kabel 19.1 kg
Treibstoff (inert) 9.6 kg
Thermalkontrolle 3.2 kg
Wissenschaftliche Nutzlast 18.6 kg
Treibstoff (Antrieb) 6.6 kg
Startmasse 202.8 kg

Jede Sonde bestand aus 54.000 Einzelteilen. (Wobei man damals vor den gedruckten Schaltungen natürlich jeden Transistor, jeden Kondensator und jede der 9800 Solarzellen zählte).

Die Instrumente

Von den 202.8 kg Startmasse entfiel weniger als ein Zehntel, lediglich 18.6 kg auf die wissenschaftliche Experimente. Ursprünglich waren sogar nur 25 Pfund (11,34 kg) vorgesehen gewesen, doch im Laufe der Entwicklung konnte diese Grenze auf 40 Pfund 18,15 kg erhöht werden. Diese befanden sich an der Basis der Sonde oder dem Mast: Das Magnetometer am Ende des Mastes, die Partikelmessgeräte auf halber Höhe und der Rest an der Basis oder der Seite der Sonde. Die Sonde trug sieben Instrumente. Dazu kam der Bordsender als passives Experiment. Mit Ausnahme der Radiometer waren die Instrumente auch während des Fluges aktiv. Keines der Experimente musste auf ein Ziel ausgerichtet werden.

Mariner 1+2Detektor für kosmische Strahlen

Der Detektor für kosmische Strahlen bestand aus drei einzelnen Systemen: Einer Neher Ionenkammer und zwei Geiger Müller Zählern. Bei einem Zähler war die Kammer verkleidet mit rostfreiem Stahl und einmal mit Beryllium. Die beiden Geiger-Müller Zähler differieren in der Effizienz, in der Sie Elektronen aus der Bremsstrahlung kosmischer Teilchen freisetzten. Analoge Zähler waren bereits vorher auf den Erdsatelliten Explorer 6 oder der Raumsonde Pioneer 5 eingesetzt worden.

Alle drei Detektoren waren sensitiv für Elektronen mit Energien von mehr als 500 eV und Protonen mit mehr als 10 MeV Energie. Die Ionenkammer wurde für 221.76 Sekunden alle 443.52 Sekunden abgefragt. Die beiden Geiger Müller Zähler wurden jeweils 0.828 und 9.60 Sekunden lang abgefragt. Das Intervall lag bei dem Zähler mit der Kammer aus Stahl bei 443.52 Sekunden und dem aus Beryllium bei 887.04 Sekunden. Die Detektoren waren senkrecht zur Rotationsachse montiert und hatten einen Einfangquerschnitt von 6.91 und 6.97 cm². Der Detektor wog lediglich 1.2 kg und verbrauchte 0.3 Watt an Strom.

Detektor für kosmischen Staub

Der Detektor für kosmischen Staub sollte den Fluss von Staubpartikeln zwischen Venus und Erde messen. Der Detektor bestand aus einem Kristallmikrophon angeschlossenen an eine 350 cm² große Metallplatte. Einschlagende Teilchen sollten das Mikrophon zum Vibrieren bringen. Gemessen wurde die Pulshöhe auf 2 Kanälen die sich in der Empfindlichkeit um den Faktor 10 unterschieden. Drei Ereignisse konnte zwischengespeichert werden. Danach wurde das Mikrophon durch Anlegen einer elektrische Spannung an den Kristall, der als Verstärker diente, neu kalibriert. Zwei Wochen vor der Begegnung fiel der empfindlichere Kanal aus, bei der Venusbegegnung dann auch noch der zweite Kanal. Ursache war in beiden Fällen Überhitzung des Mikrofonkristalls durch die Sonnennähe der Sonde. Während der 129 Tage dauernden Mission konnten zwei 2 Einschläge sicher und einige mehr vage (wegen Problemen bei der Kalibrierung) detektiert werden. Der Staubdetektor wog nur 0.84 kg und verbrauchte 0.1 Watt an Strom.

Infrarotradiometer

Das Radiometer von Mariner 2 bestimmte die von der Venus bei 8.4 und 10.4 Mikrometer ausgestrahlte Infrarotstrahlung. Das Instrument bestand aus zwei Linsenteleskopen, die einen Winkel von 45 Grad zueinander hatten. Ein an einen Motor angeschlossener Spiegel schaltete zwischen beiden Strahlengängen um. Ein Teleskop wurde auf die Venus gerichtet, das zweite in den Weltraum. Ein Strahlenteiler teilte dann den gemeinsamen optischen Weg zwischen zwei Detektoren für die Infrarotstrahlung von 8.4 bzw. 10.4 Mikrometern Wellenlänge auf. Durch den Vergleich der Strahlung der Optik die zur Venus schaute, mit der des Weltraums (zu 0 K angenommen) konnte die Eigenstrahlung von Optik und Detektoren eliminiert werden. Die Strahlung ist ein Maß für die Temperatur, so konnte man die Temperatur der Venus bestimmen. Kohlendioxid absorbiert bei 8 Mikrometern Wellenlänge kaum Strahlung, dagegen bei 10.4 Mikrometern sehr stark. Damit konnte man auch den Kohlendioxid Gehalt der Venusatmosphäre abschätzen. Das Radiometer konnte auch auf eine Platte an der Sonde gerichtet werden, deren Temperatur unabhängig von dem Radiometer gemessen wurde. Vor dem Start wurde es durch die Messung der Strahlung zweier schwarzer Körper geeicht, der eine wurde mit flüssigem Stickstoff gekühlt, der andere hatte eine Temperatur die man bei Planeten annahm.

Beim Venus Vorbeiflug gelangen mit dem Instrument 3 Scans über die Oberfläche der Venus. Das Infrarotradiometer wog nur 1.2 kg und verbrauchte 2.4 Watt an Strom. Es lieferte die aufregendste Erkenntnis des Fluges: Eine Oberflächentemperatur von 425 Grad Celsius.

Magnetometer

Das Magnetometer von Mariner 1+2 sollte nach einem Magnetfeld der Venus suchen. Weiterhin sollte es das interplanetare Magnetfeld auf dem Weg zur Venus messen. Das Magnetometer bestand aus drei Fluxgatemagnetometern, die orthogonal aufeinander standen. Die Magnetometer befanden sich am Ende des 1.52 m hohen Mastes, um sie von den elektrischen Feldern der Sonde möglichst weit zu entfernen. Es gab zwei Messmodi. Im hochauflösenden Modus konnte Magnetfelder mit maximalen Stärken von ± 64 nT mit einer Auflösung von ± 0.5 nT erfasst werden. Im Niedrigauflösenden Modus betrug der Messbereich ± 320 nT mit einer Auflösung von ± 2.5 nT. Beide Modi beinhalten 128 Stufen für die Auflösung. Das Magnetometer konnte Magnetfelder orten die 100.000 mal kleiner waren als an der Erdoberfläche. Ein Nagel in einem Schuh konnte es in 3 m Entfernung detektieren.

Während der Reise wurden die Magnetometer alle 36.96 Sekunden für 8.64 Sekunden abgefragt. Beim Vorbeiflug an der Venus wurde die Rate auf eine Messung alle 20.16 Sekunden erhöht. Das Magnetometer sollte alle 15.77 Stunden kalibriert werden, durch einen Fehler geschah dies aber öfters und in zufälligen Zeitintervallen. Ansonsten arbeitete das Magnetometer ohne Probleme, konnte aber kein Magnetfeld bei der Venus entdecken. Das Magnetometer wog 2.177 kg und verbrauchte 6 Watt an Strom.

Teilchendetektor (für Teilchen niedriger Energie)

Der Teilchendetektor an Bord von Mariner 1+2 war ein Anton 213 Geigerzähler. Es war derselbe Zähler, der auch schon an Bord der Pioneer 3+4 Sonden flog und zahlreichen Erdsatelliten eingesetzt wurde. Wie bei den Pioneer Sonden war der verantwortliche Wissenschaftler James van Allen, der schon mit Explorer 1 den Strahlungsgürtel der Erde entdeckt hatte. Der Detektor hatte ein Gesichtsfeld von 90 Grad und wies alle Elektronen mit mehr als 40 eV Energie und Protonen mit mehr als 500 eV Energie nach. Der Detektor schaute unter einem Winkel von 70 Grad zur Sonne. Er wurde im interplanetaren Raum benutzt, um die Intensität und Anzahl von Teilchen zu messen.

Alle 887 Sekunden (Beim Vorbeiflug alle 484 Sekunden) wurde der Detektor für jeweils 0.60 Sekunden abgefragt. Der Detektor wog nur 0.06 kg und verbrauchte 0.3 Watt an Strom.

Spektrometer für das Sonnenplasma

Das Instrument bestimmte den Fluss und die Energieverteilung der positiven Ionen des Sonnenplasmas. Dazu schaute ein elektrostatischer Analysator mit einer Faraday Cup Sonde auf die Sonne. Die Eingangsöffnung hatte eine Fläche von 5 cm². Alle 18 Sekunden wurde die Spannung des elektrostatischen Analysators geändert. Sie durchlief den Bereich von 231 bis 8824 Volt in 10 Schritten. Dies entspricht 10 Energiekanälen. Danach wurde die Spannung zurückgenommen und der Strom gemessen. Eine Kalbrationsmessung schloss sich dem an. Der komplette Zyklus von 12 Messungen wurde alle 3.696 Minuten wiederholt. Bei der Venus wurde das Intervall auf 2.016 Minuten verkürzt.

Das Instrument arbeitete bis zum 30.12.1962. Das Spektrometer konnte mit einer Genauigkeit von 0.1 Grad während des Fluges auf die Sonne ausgerichtet werden. Es wog 2.18 kg und verbrauchte 1 Watt an Strom.

Mikrowellenradiometer

Das Mikrowellenradiometer war das schwerste und größte Instrument an Bord der Sonden. Es bestand aus einer Parabolantenne von 50.8 cm Durchmesser und 12.8 cm Tiefe. Für die Bestimmung der Strahlung des Hintergrunds und zur Kalibration ragten zwei Hornantennen 60 Grad von der Parabolantenne in den Weltraum. Die Strahlung der Venus wurde durch Subtraktion der Signale der Hornantennen mit dem Signal von der Venus gewonnen. Die Antenne war in einem 120 Grad Winkel schwenkbar mit einer Geschwindigkeit von 0.1 Grad/Sekunde. Dies entsprach der Bewegung der Venus beim Vorbeiflug. Das Radiometer maß die Strahlung bei 13.5 und 19 mm Wellenlänge (15.7 und 22.2 GHz Frequenz). Bei 13.5 mm Wellenlänge absorbiert Wasserdampf besonders stark bei 19 mm Wellenlänge dagegen kaum. So hoffte man Wasserdampf in der Venusatmosphäre indirekt nachweisen zu können.

Das Instrument machte Messungen über 30 Minuten rund um die nächste Annäherung an die Venus. Es war für einem Abstand von 8.000 bis 40.000 Meilen von der Venus ausgelegt (12.700 bis 64.300 km). Dabei wurde es im Azimut mit einer Geschwindigkeit von 1 Grad pro Sekunde gedreht. Die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung geschah durch die Relativbewegung der Sonde zur Venus. Es wog 9.94 kg (Mehr als die halbe Gesamtmasse aller Instrumente) und verbrauchte 4 Watt an Strom.

Bahnmechanik

Die Verfolgung der Dopplersignale der Sonde sollte Bahnänderungen durch die Gravitation der Venus bestimmbar machen. Ziel war es die Masse der Venus zu präzisieren und die Entfernung Erde-Sonne besser zu bestimmen. Vom 5.9.1962 bis zum 14.12.12962 wurde alle 12 Stunden eine Messung gemacht. Vom 14-16.12.1962 jede Stunde eine Messung und dann wieder im 12 Stunden Rhythmus bis zum Ausfall der Sonde am 3.1.963.

Die Mission

Mariner 2 vor dem StartAls man die Ranger Block I Sonden konzipierte, ging man auch davon aus, dass der Grundaufbau auch bei zukünftigen Planetensonden verwendet werden würden. Nur musste bei einer Planetensonde die instrumentelle Nutzlast erheblich kleiner sein.

Beim JPL träumte man jedoch 1961 von größeren Sonden, deren Instrumentierung eher an Mariner 10 oder Voyager 1+2 erinnerte und die mit einer Atlas-Centaur gestartet werden sollten. Diese Mariner A+B genannten Sonden sollten 1962 zur Venus (Mariner A) und 1964 zum Mars (Mariner B) gestartet werden.

Mehr am Rande entwickelte man auch eine abgespeckte Version unter Verwendung von Ranger Bauteilen, genannt Mariner-R. (R für Ranger). Als im Sommer 1961 klar war, dass die Centaur 1962 noch nicht flugqualifiziert war und man nach dem 24 Stunden Flug des russischen Kosmonauten German Titow im August 1961 damit rechnete, dass die Sowjets als nächstes zur Venus starten würden, ging man daran, so schnell wie möglich Mariner-R flugtauglich zu machen. Zudem war im Februar 1961 ein Versuch der Sowjetunion mit Venera 1 die Venus zu fehlgeschlagen. Eiligst wurden zwei Raumsonden basierend auf der Ranger und verfügbaren Mariner A Technologie entwickelt. Zwischen dem 8.8.1961 und 1.9.1961 wurde untersucht ob man die Atlas Agena soweit modifizieren kann, dass sie eine 447 Pfund schwere Raumsonde zur Venus bringen kann. Das waren 110 Pfund mehr als die bislang maximale Nutzlast. Diese Kapazität war aber erforderlich um ein 51 Tage langes Startfenster zu haben, da es nur eine Startrampe für die Atlas Agena gab (Pad 12) und man mindestens 24 Tage für die Startvorbereitungen brauchte. Im ersten Entwurf rechnete das JPL daher auch nur damit eine Raumsonde starten zu können, weil das Startfenster zu klein für zwei Sonden war. Optimierungen an der Atlas Agena B führten jedoch dazu dass man doch zwei auf den Weg bringen konnte. Gebaut wurde aus Ersatzteilen noch eine dritte (Mariner R-3), die man dann für Tests bereithielt als es an den Start ging um bei Problemen sie bei diesem Modell nachvollziehen zu können. Damals hießen die Raumsonden übrigens Mariner R-1c und R-2 im internen Gebrauch. Das Projekt wurde der Öffentlichkeit als "Mariner Venus 1962" vorgestellt. Bedingt durch die Gewichtseinsparungen gab es aber so gut wie keine Redundanz.

Vorgeschlagen wurde das Projekt am 27.8.1961 vom JPL, schon am 30.8.1961 wurde es genehmigt, weniger als ein Jahr später starteten beiden Sonden! Am 15.1.1962 gab es "Feature Freeze" und der Bau der Raumsonden begann.

Der Aufbau der Ranger Sonden ist dabei so weit wie möglich übernommen worden. Dadurch war es möglich die Raumsonde in weniger als einem Jahr fertig zu stellen. Damit die Sonde allerdings die höhere Geschwindigkeit zur Venus erreichte, musste sie gegenüber den Ranger Block I Sonden um 50 kg leichter werden, was vor allem auf Kosten der Nutzlast ging. Gleichzeitig machte man die Agena Oberstufe um 50 kg leichter. Nur dadurch war eine instrumentelle Nutzlast von 18,6 kg möglich, ohne diese Maßnahme wäre sie auf 11,3 kg beschränkt gewesen. Mariner 1+2 erreichten ihr Sollgewicht von 447 Pfund nahezu ganz: Lediglich 2 Pfund Abweichung gab es.

Von 202.8 kg Trockenmasse waren nur 18.6 kg Experimente. Mitgenommen dürfte nur das nötigste werden. Auf eine TV Kamera musste man aus Gewichtsgründen verzichten. Doch dies war leicht, da man sich von der wolkenbedeckten Venus keine guten Bilder erhoffte. Intern liefen die Sonden wie schon erläutert als Mariner R. Sie wurden erst beim Start in Mariner 1+2 umbenannt. Die Anforderung an die Sonden mit 54000 Einzelteilen war für die damalige Zeit, als die NASA noch keine der vier Ranger Sonden erfolgreich starten konnte, (auf denen Mariner 1+2 basierten) enorm: Sie sollten 2500 Stunden am Stück arbeiten, 25 mal länger als Ranger.

Mariner 1 wurde am 22.7.1962 mit einer Atlas Agena B gestartet. Dies war eine Agena B Oberstufe die auf eine Atlas D ICBM montiert wurde. Es war bei Mariner 1 der fünfzehnte Einsatz dieser Trägerrakete. Bisher gab es zwei Fehlstartes, das war damals relativ wenig, wobei der letzte auch bei Flug 6 war, also die letzten acht Starts waren in Folge geglückt.

Die Trägerrakete wurde 293 Sekunden nach dem Start durch den Sicherheitsoffizier gesprengt, als sie immer mehr vom Kurs abkam. Die Raumsonde sandte noch 64 Sekunden lang Signale weiter. Es wurde festgestellt, das eine Kombination von Unterbrechungen des Leitsignals mit einem Computerfehler (der ein anderes Signal für das Leitsignal hielt) zu einem abrupten Kursmanöver führte und die Atlas-Agena B Rakete unkontrolliert vom Kurs abweichen ließ. Mariner 1 sollte die Venus am 8.12.1962 in einer Distanz von 29.000 km passieren. Die NASA gab die Kosten für die verlorene Mission mit 18,5 Millionen Dollar an.

Bei ihrer Schwestersonde Mariner 2 wurde der Fehler im FORTRAN Programm der Atlas Trägerrakete korrigiert, die Antenne für das Leitsignal überprüft und neu justiert. So klappte der Start am 26.8.1962. Die Mariner 2 Sonde benutzte einen Parkorbit, den die Sonde nach 150 Sekunden Brennzeit der Agena B erreichte. Nach 13 Minuten wurde die Agena B erneut und beschleunigte die Sonde auf 41513 m/s.

Doch auch hier gab es Probleme mit der Atlas: Sie begann mit einer Umdrehung pro Minute um die Längsachse zu rotieren. Doch dies konnte von der Agena Oberstufe ausgeglichen werden. 2 Minuten nach dem Brennschluss der Agena B wurde die Sonde von der Agena B abgetrennt indem Bolzen die Verbindung zur Agena B durchsprengten und Federn die Sonde wegdrückten. Die Agena B drehte sich dann um 140 Grad und entließ ihren Treibstoff durch die Korrekturdüsen um sich von der Sonde und der Venus zu entfernen, damit es zu keiner Kontamination der Venus kommt.

Die Bahn wurde vermessen und sie führte nur bis auf 374.000 km an die Venus heran.  Am 4.9.1962 machte man eine Kurskorrektur um diese Ungenauigkeit des Starts auszugleichen. Die Mariner 2 zündete ihr Triebwerk für 27 Sekunden und bremste leicht ab. Eine Vermessung zeigte, dass man sich der Venus auf 33.800 km nähern würde. Dies war innerhalb des 12.800 x 64.000 km großen Kreissegmentes, welches das Zielgebiet darstellte.

Danach begann der Druck in den Tanks für das Korrekturtriebwerk anzusteigen und Stickstoff zu entweichen. Doch da man keine weitere Kurskorrektur plante, war dies unkritisch. Die Sonde näherte sich nach der Korrektur auf 21.645 Meilen an die Venus, dies war innerhalb der 25.000 Meilen, die als Ziel galten. Wissenschaftler hätten eine Passage von 18.000 Meilen oder weniger als besser für die Instrumente angesehen. (1 Meile = 1.609 km), die Ingenieure wollten möglichst wenige Kurskorrekturen und auch nicht das Risiko einer Kontamination der Venus eingehen. Daher kam man von dem vor dem Start anvisierten Abstand von 10.000 Meilen ab. Ein Designkriterium neben den optimalen Beobachtungsmöglichkeiten für die Experimente war nämlich auch, dass das Risiko, das die Sonde auf der Venus aufschlug (und sie eventuell "kontaminieren" könnte, kleiner als 1 zu 1000 war.

Nach dem Checkout der Sonde vom 29.8 bis 4.9.1962 kam es schon am 8.9.1962 zu ersten Störungen. Die Sonde verlor die Kontrolle, wurde aber 3 Minuten später wieder von dem Kreiselsystem auf die Erde ausgewichtet, wahrscheinlich kollidierte sie mit einem Mikrometeoriten. Am 26.10.1962 begann eines der Sonnenpaneele Strom zu verlieren und die wissenschaftlichen Instrumente wurden abgeschaltet um Strom einzusparen. Eine Woche später schien alles wieder normal zu sein - bis das Panel am 15.11.1962 völlig ausfiel. Da die Sonde sich aber Venus näherte und so immer mehr Sonnenstrahlung bekam, kam man aber auch mit einem Panel aus.Mariner 1+2 + Trägerakete In der Folge gab es immer mehr Temperaturprobleme. Man hatte wohl die Temperaturbilanz falsch eingeschätzt, allerdings auch wegen den Massenbeschränkungen wenige Möglichkeiten zur Temperaturregulierung

Am 9.12.1962 fielen vier der Telemetriekanäle der Senders aus und zwei Tage vor der Begegnung auch der Teil des Sequenzers, der die Kommandos ausführte. 12 Stunden vor der Begegnung auch die Programmautomatik, welche die Experimente aktivieren sollte. Nun musste man in Echtzeit die Kommandos an die Sonde schicken. Geplant war eine automatische Aktivierung der Experimente 10 Stunden vor der Begegnung und eine Fortführung der Beobachtungen bis 56.7 Stunden nach der Begegnung. Am 13.11.1962 überschritten die Temperaturmessungen des Radiometers die Sicherheitsgrenze von +35°C und sie näherten sich bis zum Vorbeiflug ziemlich nahe der maximal möglichen Betriebstemperatur von 65°C - das Radiometer wurde bis zu 58°C heiß, was vielleicht auch die stark schwankenden Messwerte erklärt.

Am 12.12.1962 wurden die Radiometer in Betrieb genommen und am selben Tag passierte die Sonde in 34.763 km Entfernung die Venus. Zwischen 66 und 24 Minuten vor der nächsten Annäherung, 42 Minuten lang wurde die Temperatur der Venusoberfläche gemessen und zu 425° C bestimmt. Allerdings waren die Daten recht ungenau. Das Radiometer konnte keinen Wasserdampf nachweisen. Festgestellt wurde, dass die Temperaturunterschiede zwischen Nachtseite und Tagseite sehr gering waren. Auch konnte durch Verfolgen der Funksignale eine Wolkenschicht in 56 bis 80 km Höhe bestimmt werden. Ein Magnetfeld konnte nicht nachgewiesen werden, was man damals aber auf die verhältnismäßig große Vorbeiflugdistanz zurückführte.

Die Funkdistanz zur Erde betrug 95 Millionen km. Die Venus hatte die Sonde um 625 m/s beschleunigt und die Bahnebene um 25 Grad gedreht. Sie hatte nun eine neue Bahn, deren sonnennächster Punkt von 102 auf 105 Millionen km angehoben war und der sonnenfernste Punkt rutsche von 144 auf 183 Millionen km.

Am 27.12.1962 passierte die Sonde ihr Perihel in 105.42 Millionen km Entfernung von der Sonne. Man erwartete nun, dass die Temperaturen an Bord, die zu hoch waren, sinken würden. Doch dies trat nicht ein. Am 3.1.963 kam der letzte Funkkontakt in 86 Millionen km Entfernung von der Erde (oder 9 Millionen km von der Venus) zustande. Danach verstummte die Sonde endgültig. Damit wurde auch ein neuer Entfernungsrekord für die interplanetare Kommunikation aufgestellt. Mariner 2 fiel auch genau nach Ablauf der "Garantiezeit" aus: 2500 Stunden Betrieb waren gefordert worden, nach 3100 Stunden fiel die Sonde aus. Sie hatte während der rund 120 Tagen Betriebszeit 225.000 Datenpakete mit insgesamt 37,8 Millionen Bits übertragen. Diese Daten wurden damals zur Auswertung noch auf einem IBM 1403 Drucker ausgedruckt! Da es nur Realzzeitdaten gab und bei der Venus die Datenrate auf 8,33 Bits/s zurückging waren davon nur ein verschwindend kleiner Teil Daten der rund 45 Minuten dauernden engeren Messperiode nämlich nur 22.491 Bits. Diese konnte man in der Tat auf wenigen Seiten ausdrucken.

Das die Sonde gerade beim Vorbeiflug funktionierte, obgleich es vorher massive Probleme mit der Stromversorgung gab, um drei Wochen später endgültig auszufallen führte dazu, dass man in der NASA witzelte, JPL (das Jet Propulsion Laboratory, das die Sonden baute) stände für "Just plenty Luck". Mariner 2 war jedoch sehr wichtig, damit man lernen konnte, wie man interplanetare Sonden steuern konnte. Eine Überraschung war, dass die Sonnenstrahlung und der Sonnenwind die Sonde in 109 Tagen um mehr als einen Venusdurchmesser vom Kurs abgelenkt hatten, eine Größe, die man seither mit berücksichtigt. Bei Mariner 3+4 baute man deswegen eigens kleine Sonnensegel ein, die diesen Effekt minimieren sollten.

Wissenschaftlich lieferte die Sonde erste Hinweise auf den Sonnenwind, denn schon 1953 Ludwig Biermann postuliert hatte. Mariner 2 stellte fest, dass die Venus zwar kein Magnetfeld und keinen Strahlungsgürtel aufweist, dafür jedoch Temperaturen von 425°C aufweist. Sowjetische Wissenschaftler glaubten, dass diese Temperaturen nur für die Wolken gelten und es darunter niedrigere Temperaturen gäbe, ein Irrtum der einigen Venera Sonden das Leben kostete. Man muss gerechterweise sagen, dass die Daten des Mikrometerradiometers schon einen ziemlichen Spielraum hatten. Es gab drei Scans von der Nachtseite, dem Terminator und der Tagseite. Bei der Erde wäre die Nachtseite am kältesten und die Tagseite am heißesten. Das Radiometer maß 460, 570 und 400°C. Es war also am Terminator am heißesten und auf der Tagseite am kühlsten. Die Empfindlichkeit war zu gering (die Oberflächentemperatur liegt bei etwa 480-490°C, das Instrument hatte also einen Messfehler von rund 90 K in beide Richtungen), aber es gab zumindest die Größe richtig wieder.

Durch die erstmalige Anwendung der Dopplerfrequenzmessung des L-Band Senders über 12.5 Minuten beim Vorbeiflug konnte man die Masse der Venus zu 0.81485 der Erdmasse mit einem Fehler von nur 0.015 % ermitteln. Zum Vergleich: Der bislang beste Wert von 0.8148 Erdmassen war 1954 nach der Auswertung der Bahnänderung von Eros über zwei Jahrzehnte von E. W. Rabe ermittelt worden. Er hatte noch einen Fehler von 0.05 Prozent.

Weitere Ergebnisse betreffen die kosmische Strahlung die sich als gering herausstellte. Sie lag bei 3 Teilchen/Sekunde/cm². Dagegen konnte am 23.10.1962 ein Sonnensturm registriert werden, der die durchschnittliche Anzahl der Rekombinationsereignisse in der Ionenkammer von 670 auf 18.000 erhöhte. Ein Niveau von über 10.000 Ereignisse/cm³ wurde über sechs Stunden gehalten und der Sturm dauerte einige Tage. Es zeigte sich, dass die Gesamtdosis jedoch gering war. Sie wurde zu 0.24 Röntgen bestimmt. Eine geringe Erhöhung der Stahlabschirmung der Kammer von 0.25 mm hätte ausgereicht sie abzuschirmen. Im Vergleich dazu betrug die Gesamtdosis beim Flug zur Venus 3 Röntgen und ein großer Teil war sehr penetrierend. Damit hatte man die erste Messergebnisse über die Strahlungsbelastung im interplanetaren Raum. Diese waren wichtig, da man zu dieser Zeit an die Konzeption der Apollo Raumschiffe ging, die anders als Mercury und Gemini nicht durch das Erdmagnetfeld vor dieser Strahlung geschützt waren.

Kennedy bekommt ein Exemplar der Mariner 2 Sonde ald Modell überreichtDas Infrarotradiometer bestimmte die Temperatur an der messbaren Oberkante der Atmosphäre zu 240 K, also -32°C. Dieser Wert ist korrekt, allerdings ist die Venusatmosphäre so ausgedehnt, dass er in 70 km Höhe erreicht wird.

Durch Verwendung von Ranger Bauteilen und Beschränkung auf eine minimale Nutzlast waren Mariner 1+2 die mit Abstand preiswertesten Sonden des ganzen Programms: Ihr Bau kostete pro Stück nur 14 Millionen USD. Dazu kamen allerdings noch die Kosten für die Trägerrakete (8,5 Millionen Dollar pro Stück) und die Mission. Die Gesamtkosten der Mission lagen bei etwa 44-48 Millionen Dollar. Die NASA verzichtete später auf den Start eines dritten Flugexemplars Mariner R-3. Der Start dessen war für 1964 vorgesehen gewesen.

Die Mission hatte aber noch Folgen. Obgleich Mariner 2 erfolgreich war, hatte es doch viele Probleme gegeben: Instrumente waren ausgefallen, dazu ein Solarpanel, der Sequenzer, Überdruck im Treibstoff etc. Immer wieder fiel die Sonde zeitweise und weniger als drei Wochen nach der Passage ganz aus. Als die NASA auch die Ranger 1-5 Sonden verlor, gab es eine Untersuchung, die sowohl bei Ranger, wie auch Mariner 1+2 gravierende Mängel in den Projekten feststellte, vor allem wurde das Fehlen redundanter Systeme bemängelt. Man lernte daraus und konzipierte Mariner 3+4 neu. Diese Raumsonden basierten nun nicht mehr auf den Ranger Sonden.

Mariner 1+2 waren das einzige Doppelunternehmen während des Mariner Programms zur Venus. Später gab es nur noch den Start des Reserveexemplars von Mariner 4 als Mariner 5 und die Stippvisite von Mariner 10, welche die Venus als Sprungbrett für einen Flug zum Merkur nutzt.

Links

Mariner 1 NSSC Informationen
Mariner 2 NSSC Informationen Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger

NASA SP-59 Mariner Venus 1962

Artikel zuletzt geändert: 7.12.2012

© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
Sitemap Kontakt Neues Hier werben Bücher vom Autor Top 99