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Die Atlas Able (Pioneer P) Raumsonden

Einleitung

Wer wie der Autor sich auch mit historischen Programmen beschäftigt, hat oftmals mit Problemen bei der Recherche zu tun. Im Internet gibt es sehr wenig Material von offizieller Seite für ältere Missionen. Oftmals kann man bei der NASA auf veröffentlichte Bücher im Bereich NASA Histories Online zurückgreifen oder auf den NSSDC Katalog. Daneben gibt es natürlich noch Bücher.

Bei einem Programm gibt es jedoch noch etwas größere Hürden. Es taucht fast nirgendwo auf. Ich bin mir auch relativ sicher, das viele die sich für Raumfahrt interessieren, nicht dieses Programm kennen. Es sind die Raumsonden, bei denen man nicht einmal den Programmnamen kennt.

Ein Programm ohne Namen?

Tja das ist die traurige Wahrheit. Je nachdem, wo man bei der NASA nach den Programm sucht findet man andere Namen: Pioneer P, Pioneer X oder am häufigsten Atlas Able V. (Woher das V bei 4 Sonden kommt, konnte ich nicht feststellen).

Wie kommt es dazu? Nun damals war die gesamte Mondforschung noch am Anfang. Gestartet waren die Pioneer 0-4 Sonden mit Juno II Raketen oder Thor-Able Raketen. Nun gab es ein neues Programm, welches mit der Atlas Able Rakete starten sollte. So erhielten die Sonden zuerst den Namen Atlas Able. Analog hatte man Pioneer 0-2 Sonden als "Thor Able", also nach der Trägerrakete bezeichnet. Um Sie von den anderen Sonden zu unterscheiden, bekamen die Sonden auch die Bezeichnung "Pioneer P". Als später weitere Pioneersonden dazu kamen, und man das gescheiterte Programm am liebsten vergessen hätte, bekamen diese einfach neue Nummern die an Pioneer 4 anschlossen und man bezeichnete die Sonden nur noch als "Atlas Able".

Diese Praxis erst nach einem Start einen Sondennamen zu vergeben findet man sonst nur bei den sowjetischen Raumsonden. Zu Beginn der Raumfahrt war es jedoch auch in den USA üblich. So erhielten bei den Explorer Satelliten Fehlstarts keine Nummer und im Pioneer Programm gab es für die Fehlstarts die Bezeichnungen "Pioneer 0" und "Pioneer E". Intern hießen sie nur P3, P30 und P31. Dies lehnt sich an die Thor Able Pioniers an (P0 bis P2). Als man dann zwei Sonden nachbauten bekamen diese die Nummern P30 und P31. Nach dem Start wären sie als Pionier 5 bis 7 ins Pionierprogramm integriert worden.

Die Raumsonden

Pioneer P SondeDie Pioneer P Sonden waren geplante Mondorbiter. Die Sonde bestand aus einer 1 m großen Sphäre, an der ein mit Hydrazin angetriebener Antrieb angebracht war. Der Antrieb wog 88.4 kg und verwendete ein 90 N Triebwerk. Treibstoff war Hydrazin, das katalytisch zersetzt wurde. Es sollte mindestens zweimal gezündet werden können. Mit dem Antriebssystem war die Sonde 1.4 m hoch. Die Stromversorgung geschah über vier Solarpanel mit je 1100 Solarzellen, die eine Nickel-Cadmium Batterie aufluden. Jedes Panel war 60 × 60 cm groß. Sie gaben der Sonde eine Spannweite von 2.7 m. Die Gesamtfläche der Solarpanels betrug 1.4 m². Die Sphäre wurde später für die Raumsonde Pionier 5 erneut verwendet.

Innerhalb der 25.4 bis 30 kg schweren Sphäre machte der Tank für das Hydrazin das meiste Volumen aus. Die 63 kg Hydrazin befanden sich in einem 66 cm großen Tank. Die Zündung wurde initiiert indem bei Zündung über 0,2 s lang eine kleine Menge Stickstofftetroxid eingespritzt wurde, das sich spontan mit Hydrazin entzündet. Nominell konnte der Antrieb die Geschwindigkeit um 1.070 m/s ändern.

Für die Lageregelung gab es zwei Vernierdüsen, jede mit einem eigenen Stickstofftank. Benutzt wurde Kaltgas. Um die obere Hälfte des Tanks war eine ringförmige Sektion angebracht. In ihr waren die beiden Batterien, zwei 5 Watt UHF Sender und Empfänger, Logikmodule für die Experimente, Kommandodecoder. Ein Puffer / Verstärker, drei Konverter, ein Programmschaltwerk und die meisten wissenschaftlichen Experimente angebracht. Stabilisiert sollten die Sonden durch Rotation werden - sollten mit 120 bis 180 Umdrehungen pro Sekunde rotieren.

Vier UHF Antennen ragten aus der Sphäre. Zwei nach oben, zwei nach unten. Die Sender arbeiteten bei 378 MHz. Dazu kam eine nach unten ausgerichtete VLF Antenne, Für die Temperaturkontrolle hatte man sich einen besonderen Mechanismus ausgedacht. Eine Reihe von 52 Propellerblättern auf der Oberfläche verdeckten Zonen unterschiedlicher Reflexion Die Oberfläche war mit schwarzen Zonen überzogen. Wurde es im Inneren zu kalt, so verschob ein Thermoelement die Propeller, so dass die schwarzen Zonen frei lagen. Sie absorbierten Strahlung und es wurde warm. Wurde es zu warm, so verschob das Thermoelement die Blätter so, dass die schwarzen Zonen bedeckt waren. Dadurch kühlte die Sonde ab.

Ursprünglich sollten von den vier Sonden zwei im Juni 1959 zur Venus fliegen und dort in einen Orbit einschlagen. Zeitverzögerungen im Programm und die nicht zur Verfügung stehende Atlas Rakete erlaubten dies nicht. Die Gesamtkosten des Programms betrugen 9-10 Millionen Dollar (ohne die Trägerraketen). Die Sonden wurden von TRW gebaut. Den Aufbau mit den sphärischen Zentralkörpern und den Solarpanel hat man später für die Pioneer 5 Sonde übernommen. Das damals größte Radioteleskop von Jordell Bank wurde um Hilfe gebeten um die Raumsonden mit ihrem schwachen Sender zu verfolgen.

Atlas Able Sonde vor dem StartDie Instrumente

Die Sonde war in ihrer Instrumentierung ihrer Zeit weit voraus. Fast ein Drittel des Startgewichts von 168.9 bis 175 kg machten die 55 kg Instrumente aus. (Mariner 2 hatte bei 202.6 kg Startgewicht nur 18.6 kg an Instrumenten an Bord). Es waren folgende:

Die "Kamera" hätte über die Bewegung der Sonde und der Photodiode ein Bild erzeugt, analog der Vorgehensweise bei Venera 9+10, Pioneer 10+11 und Pioneer Venus. Die Photodiode liefert die Information eines Bildpunktes. Die Bewegung der Diode baut dann eine Zeile auf und wenn die Sonde in der Achse senkrecht dazu rotiert, baut so aus mehreren Zeilen ein Bild auf. Spätere Missionen trugen ein weiteres Experiment, welches Protonen niedriger Energie detektieren sollte. Die Startmasse stieg dadurch von 168.9 auf 175 kg an, wovon die Nutzlast 60 kg ausmachte.

Die Rakete

Atlas-ableFür die Sonden wurde eine spezielle Form der Atlas verwendet. Die Atlas war zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Weltraumrakete benutzt worden. Lediglich ein Start einer unmodifizierten Atlas B mit der nachrichtentechnischen Nutzlast "Score" hatte stattgefunden. Die Atlas D, welche hier verwendet wurde, war noch nicht einmal als Interkontinentalrakete erprobt. Die erste Sonde sollte mit einer Atlas C, dem letzten Entwicklungsmuster mit noch geringerer Performance gestartet werden. Sie trug daher auch eine geringere experimentelle Nutzlast.

Um die 175 kg schweren Sonden zum Mond zu befördern gab es aber keine Alternative zur Atlas. Die Thor-Agena hatte zwar eine sehr große Nutzlastkapazität, sie konnte aber nicht den Mond erreichen. Die Thor-Able als zweite damals verfügbare Kombination hatte nur eine Nutzlastmasse von 40 kg. Doch die Atlas selbst konnte auch nicht den Mond erreichen. Sie benötigte dazu Oberstufen. Nur gab es noch keine Oberstufen für die Rakete, die ja schon ohne weitere Stufen noch in der Erprobung war.

Die Lösung war es die Able Oberstufe (und der Altair) der Vanguard Rakete auf die Atlas zu montieren und diese Rakete zu nutzen. Damit kombinierte man zwei Systeme die damals beide noch recht unzuverlässig waren. Von den 11 Starts dieser Rakete bis zum 18.9.1959 gelangen nur drei! Für die Mission wurde die Able Oberstufe von 5,80 auf 6,70 m verlängert.

Es verwundert daher nicht, dass alle Starts scheiterten. Die Sonden wären wie bei den ersten Pioneer Flügen und den Luna Sonden direkt zum Mond geschickt worden, ohne vorher in eine Parkbahn einzutreten. Die Atlas Able hatte eine Nutzlastkapazität von 1.500 Pfund in eine Erdumlaufbahn, 500 Pfund für eine Mondtransferbahn und 300 Pfund für eine interplanetare Bahn. (1 Pfund = 0.4536 kg).

Der Start der Pionier P Raumsonden waren nach dem Flug von Score am 18.12.1958 der zweite Einsatz. Anders als dieser war der Einsatz aber viel komplexer. Die Atlas B hatte keine Oberstufen, alle Triebwerke wurden am Boden gezündet. Die Atlas Able dagegen zwei Oberstufen die erst nach Stufentrennung gezündet werden sollten, etwas womit man noch keine Erfahrung hatte.

Die Starts waren der zweite, fünfte und siebte Start einer Atlas als Trägerrakete.

Hier ein Datenblatt der technischen Daten der Atlas Able:

Datenblatt Atlas Able

Einsatzzeitraum:

Starts:
Zuverlässigkeit:

Abmessungen:

Startgewicht:

Max. Nutzlast:

Nutzlastverkleidung:

Startkosten:

1959 – 1960

3, davon 3 Fehlstarts
0 % erfolgreich

35,00 m Höhe, 4,90 m Durchmesser

120.050 kg

680 kg in eine Erdumlaufbahn
176 kg in einen Mondtransferorbit
136 kg zu Mars/Venus

3,15 m Länge, 1,10 m Durchmesser, 179 kg Gewicht

10 Millionen Dollar (mit Nutzlast)


Booster (Atlas D)

Sustainer

Able

Altair 1

Länge

4,90 m

21,70 m

6,70 m

1,83 m

Durchmesser:

4,90 m

3,05 m

0,81 m

0,46 m

Startgewicht:

4.487 kg

114.695 kg

1.913 kg

238,1 kg

Trockengewicht:

4.487 kg

2,347 kg

435 kg

27,2 kg

Schub Meereshöhe:

1.334 kN

256 kN

12,56 kN

Schub Vakuum:

1.517,4 kN

353,4 kN

34,3 kN

14 kN

Triebwerke:

1 × XLR 89-5

1 × XLR 105-5

1 × AJ10-101

1 × X-248

Spezifischer Impuls (Meereshöhe):

2383 m/s

2088 m/s

Spezifischer Impuls (Vakuum):

2874 m/s

3030 m/s

2658 m/s

2456 m/s

Brenndauer:

135 s

275 s

120 s

36 s

Treibstoff:

LOX / Kerosin

LOX / Kerosin

Salpetersäure /
UDMH

fest

Die Mission

Start einer Pioneer P SondeDie Sonden sollten nach dem Start in ein hohen Mondorbit einbremsen. Die einzigen Experimente, welches spezifisch für den Mond waren, war die Kamera auf Basis des Telephotometers und eventuell die Magnetometer. Die anderen Experimente dienten mehr der Erforschung der Strahlung im Raum auf dem Weg zum Mond und um den Mond herum. Dies wurde auch nach Ende des Programms bemängelt: Die Sonden waren zwar wissenschaftlich wertvoll, aber trugen wenig zum Mondprogramm bei, das ja der Vorbereitung einer Mondlandung zum Ende des Jahrzehnts diente.

Geplant war eine Midkurskorrektur auf dem Weg zum Mond, da es damals mit dem direkten Aufstieg nicht möglich war die Bahn auf Anhieb so genau zu justieren, dass die Transferbahn die zum Mond führt genau genau erreicht wurde. Ein zu hoher oder niedriger Abstand wäre gleichbedeutend mit einem Verlust der Mission (zu große Entfernung: es kann kein Orbit um den Mond erreicht werden, zu nah: Die Sonde schlägt auf der Mondoberfläche auf, da das Triebwerk nur einen geringen Schub aufwies).

Am Mond angekommen sollte es Zünden und in eine Umlaufbahn einschwenken. Aufgrund der extrem langen Brenndauer von 1.700 s waren nur Bahnen möglich die weit vom Zentrum entfernt war. Bei nahen Bahnen war das Risiko zu groß, dass die Sonde sich vor Erreichen der Umlaufsgeschwindigkeit zu stark dem Mond genähert hatte und nicht in eine stabile Umlaufbahn erreichte. Geplant waren Bahnen von 6.400 x 4.800 km für die erste, 4.800 x 3.200 km für die zweite, 4.300 x 2.400 km für die dritte und 4.000 x 2.250 für die letzte. Sukzessive wollte man mehr riskieren und näher an den Mond herankommen.

Das Projekt hatte schon im Vorfeld Probleme. Am 24.9.1959 fand mit der Atlas 9C ein statischer Test der Atlas auf der Startrampe statt. Nach 2.1 Sekunden schalteten die Triebwerke ab. Dabei explodierte die Rakete am Boden. Es war die größte Explosion die das Cape bis dahin erlebt hatte. Zerstört wurde nicht nur die Rakete sondern auch die Startrampe. Wie durch ein Wunder kam kein Mensch ums Leben, da sich alle Techniker zu diesem Zeitpunkt im Schutzbunker (dem "Blockhouse") aufhielten um die Telemetrie der Rakete anzusehen. Ursache war ein unregelmäßiger Fluss im Marschtriebwerk. Helium war in die Leitungen geraten, was zu einer zu hohen Geschwindigkeit der Turbopumpe und einer Zerstörung dieser führten. Der austretende flüssige Sauerstoff bewirkte dann zuerst ein Feuer und dann eine Explosion.  Die nächsten Starts der Atlas fanden nun von Startrampe 12 aus statt, nachdem Rampe 14 zerstört war. Bei diesem Test war noch keine Sonde integriert.

Am 28.11.1959, zwei Monate später stand eine Atlas Able auf der Startrampe 14 in Cape Canaveral. Der Start war für den 3.10. vorgesehen gewesen und dann verschoben worden. Die Atlas D, welche dafür als erste Stufe ausgesucht war, hatte bislang als Interkontinentalrakete erst sieben Testflüge hinter sich von denen vier scheiterten. Für den Weltraumeinsatz war es der erste Start überhaupt. (Erprobt war hier schon die Atlas C, doch auch diese hatte nur einen Flug hinter sich). Die Atlas hatte die Seriennummer 20D. Sie war vom Mercury Programm übrig geblieben, und ein Backup für den Big Joe Testflug gewesen.

Der Start der Atlas verlief auch problemlos. Allerdings kollabierte nach 45 s die neue leichtgewichtige Fieberglashülle und sie nahm die Sonde mit.  Die Altair Oberstufe wurde dabei auch beschädigt und nach 70 s verstummte die Telemetrie der Stufe. Nach 261 Sekunden trennten sich Atlas und Able. Es kam zu keiner Zündung der Able. Der Fehlstart führte auch zu Turbulenzen im Mercury Programm, in dem ebenfalls die Atlas Trägerrakete eingesetzt werden sollte. Zwar arbeitete die Atlas ohne Probleme, doch es kam zu einem Verlust an Telemetrie und einer falschen Ausrichtung der Able, so dass man von dieser auch nur teilweise Telemetrie empfing. Ziel von Pioneer P3 war ein Orbit in 4800 × 6400 km Höhe. Diese Sonde wog 168.9 kg.

Nun wurden zwei etwas schwere Mondsatelliten mit der Bezeichnung P30 und P31 als Ersatz gefertigt. In die Fieberglashülle wurden einige Löcher gebohrt. Sie erlaubten es der Luft zu entweichen und so keinen zu hohen Innendruck aufzubauen.

Der zweite Start (Pioneer P30) fand am 25.9.1960 statt, fast ein Jahr nach dem ersten. Die Sonde war nun 175.5 kg schwer und trug ein weiteres Experiment das Protonenmessgerät und einen Sonnensensor anstatt dem Helligkeitssensor. Sie sollte nach 62.5 Stunden Flug in einen 2250 × 4000 km Orbit um den Mond gelangen. Dieser hätte eine Umlaufperiode von etwa 10 Stunden gehabt. Der Start der Atlas 80D verlief auch problemlos. In einer Höhe von 370 km trennten sich Atlas und Able. Kurz nach der Separation fiel jedoch der Brennkammerdruck des Triebwerks AK-10 in der Able ab und das Triebwerk schaltete sich ab. Die dritte Stufe zündete schon nicht mehr. Nach Erreichen einer Gipfelhöhe von 1290 km trat die Sonde wieder in die Erdatmosphäre ein und verglühte. Die Bodenkontrolleure nutzten wenigsten die Chance, den Motor der Sonde zu testen und zündeten diesen. Dies gelang. Es war die erste Zündung eines satelliteneigenen Antriebs überhaupt. Nach 1020 Sekunden trat die Sonde wieder in die Erdatmosphäre ein und verglühte. Am 15.11.1960 fand man zwei Teile der Sonde in Transvaal in Südafrika. Die Kamera war inzwischen von der Liste der Experimente gestrichen worden.

Der dritte und letzte Startversuch (Pioneer P31) fand am 15.12.1960 statt. Inzwischen hatte man due Startrampe 12 wieder aufgebaut und startete nun die Atlas 91D wieder von dieser aus. Die Sonde sollte diesmal in einen 2400 × 4300 km hohen Mondorbit gelangen. Doch nach schon 66.68 Sekunden begann die Able Oberstufe zu zünden,  während die Atlas noch in Betrieb war. (Nominell hätte diese eine Brennzeit von 303 s). Der heiße Flammenstrahl schweißte den Sauerstofftank durch. Nach 74 Sekunden war dies geschehen und die Rakete explodierte. Dies geschah in 12 km Höhe und wurde auch gefilmt. (die Aufnahme ist z.B. in dem Film "Der Stoff aus dem Helden sind" verwendet worden). Teile der Nutzlast fielen 12-20 km von Cape Canaveral in 20 m tiefes Wasser und wurden später geborgen.

Als die Rakete nach 45 Sekunden die Zone maximaler aerodynamischer Belastung durchquerte, gab die Fieberglashülle der Nutzlastverkleidung nach und brach ab. Durch die Aerodynamischen Kräfte wurde die dritte Stufe mit der Nutzlast abgetrennt. Nach 104 Sekunden wurde der Kontakt mit der Sonde verloren. Atlas und Able Oberstufen sollen ihren Flug fortgesetzt haben als wäre nichts gewesen...

Zusammenfassung

Vier Sonden, drei Fehlstarts, eine Bodenexplosion. So könnte man das Programm zusammen fassen. Dabei ist nicht einmal sicher ob die Sonden später erfolgreich gewesen wären. Man denke hier nur an das ambitionierte Ranger Programm, bei dem die Sonden auch ausfielen. Der Erfolg stellte sich erst ein, als man die Sonden radikal vereinfachte. Schade ist nur, dass man heute so wenig von diesem Programm weiß, wie ich schon erörtert habe. Es scheint als will die NASA Fehlschläge gerne unter den Teppich kehren. Dabei war Pioneer P das wohl ambitionierteste seiner Zeit.

Startdaten

Datum

Nutzlast

Trägerrakete

Trägernummer

Startplatz

Erfolg

24.09.1959

Atlas C Able

9C

CC LC12

26.11.1959

P-3

Atlas Able

20D

CC LC14

25.09.1960

P-30 (Able VA)

Atlas Able

80D

CC LC12

15.12.1960

P-31

Atlas Able

91D

CC LC12

Online Quellen

NSSDC Query: NASAs Katalog der Raumsonden und Satelliten

Deep Space Chronicle (PDF einzeln laden: Linkadresse + 1959.pdf, 1960.pdf etc....)

Enzyklopädie Astronautica

Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger
© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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