Mariner

De Mariners waren ruimtevaartuigen voor planeetonderzoek die gebruikt zijn tussen 1962 en 1973. Uiterlijk waren ze allemaal hetzelfde, maar inwendig is er in die tijd natuurlijk wel het een en ander veranderd. Vergelijk het met een VW Golf. Alle zes modellen zijn ongeveer even groot, maar technisch is er een groot verschil. 

Ze bestonden uit een achtkantige doos, 1,35 middellijn en een hoogte van 45 cm. Afhankelijk of de reis naar Venus en Mercurius ging, of naar Mars, hadden ze twee of vier zonnepanelen. Mars is immers verder weg van de zon en daar is minder licht, dus zijn er meer zonnepanelen nodig.
De spanwijdte van de Mariners was doorgaans 5,70 meter. Ze hadden bijna allemaal een mast met bovenop een rondstralende antenne. Altijd handig wanneer het ruimtevaartuig commando's moet ontvangen als de schotelantenne niet op de Aarde gericht is. De Mariners waren aan de zijkanten voorzien van jaloezieën die automatisch open gingen als het binnen te warm werd.

Hieronder worden de Mariners en hun missies afzonderlijk besproken.

Mariner 1 en 2
Deze ruimtevaartuigen werden in 1962 gelanceerd. Mariner 1 mislukte bij de start. De overgebleven Mariner 2 maakte een geslaagde passage langs de planeet Venus. Ze hadden geen camera's aan boord, omdat Venus toch door een dik wolkendek aan het oog onttrokken wordt.

Er waren wel detectoren aan boord om infrarood straling en ultraviolet waar te nemen. Er was ook een magnetometer aan boord.

In 1962 was een passage van Venus nog een heel kunststukje!

De planeet Venus is vooral het doel geweest van een serie Venera landers, die op het oppervlak van Venus landden. De Russen waren erg succesvol met de planeet Venus. Niet met de lanceringen naar de planeet Mars.

Dat was weer het gebied waar Amerikaanse ruimtevaartuigen veel succes hadden.

Lanceringen naar de planeten en in dit geval Mars, kunnen maar een in een bepaalde periode plaatsvinden. Voor Mars is er een korte periode, om de 26 maanden. Als er iets mis gaat bij de lancering, of daarna, dan moet je een hele poos wachten voordat er weer een kans is. Daarom werden de Mariners naar Mars altijd in tweetallen gelanceerd.

 

 

 

Mariner 3 en 4

Beide Mariners werden in november 1964 gelanceerd. Mariner 3 kwam niet goed los van de raket en zodoende was de Mariner 4 het enig overgebleven ruimtevaartuig voor de historische reis naar de planeet Mars, want het was de eerste!. Mariner 4 werd gelanceerd op 28-11-1964 en passeerde op 14-07-1965 de planeet Mars en seinde 21 foto's over. Op de foto rechts is de Mariner 4 bij het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena te zien.

De tekening hierboven laat de passage van de Mariner 4 langs Mars zien. In korte tijd werden de foto's opgenomen, op de magneetband bewaard en later, toen de Mariner weer uit de schaduw van Mars kwam, overgeseind naar de Aarde.
Dit was een hele prestatie in 1965. We moeten wel bedenken dat de techniek aan boord nog van ongeveer 1962 was. Toen begon het bouwen en testen. Chips waren nog een zeldzaamheid. Alle elektronica was bijna opgebouwd uit transistoren en andere grote onderdelen. Zelfs in 1965 kon men nog met grote moeite 30 onderdelen op een plaatje silicium van 5 vierkante millimeter krijgen. Vergelijk dat eens met een computer processor nu.

Mariner 4 had behalve een camera ook instrumenten aan boord om kosmisch stof waar te nemen, zonneplasma, stralingsgordels en magneetvelden.
De meeste instrumenten waren gemonteerd op het doosvormige frame. De totale hoogte was 2,89 m (vooral door de antennemast). Het gewicht was 260 kg. De zonnecellen leverden 310 Watt en de energie die over was werd opgeslagen in een accu van 1220 Watt-uur. Niet op de foto's te zien, maar wel aanwezig, waren kleine "zonne-zeiltjes" aan de uiteinden van de vier zonnepanelen.

Positiebepaling werd gedaan aan de hand van vier zonnesensors, een Canopus sensor en een aarde- en marssensor. De communicatie werd verzorgd door een zender van 10 Watt. Er was ook maar één radio ontvanger aan boord. Beide konden zowel de schotelantenne als de rondomgevoelige antenne op de mast gebruiken. De datasnelheid was 8 1/3 of 33 1/3 bits per seconde. Gegevens (ook foto's) konden opgeslagen worden op een magneetband met een capaciteit van 5,24 miljoen bits. De computer aan boord kon 33 commando's bewaren en uitvoeren.

camera

Het gewicht van de Mariner 4 mocht niet te groot zijn. Daarom mocht er maar één camera mee. De telelens was een telescoopje van het Schmidt-Cassegrain type; zie rechts.

De brandpuntsafstand was 26 cm en de lichtsterkte f/8. Het licht werd op een vidicon buisje geworpen en de grootte van dat beeldje was 5,5 bij 5,5 mm.

Tussen het telescoopje en de vidicon zat uiteraard weer een sluiter. Het beeld bestond uit 200 bij 200 lijnen. Dus 200 bij 200 pixels. Elke pixel kon weergegeven worden in 64 lichtwaarden, waarbij helder wit de waarde "0" had en zwart "63". Uiteraard werkte de elektronica die bij de camera hoorde al digitaal. Op die manier bestond elke opname uit 240.000 bits. Het uitlezen van het vidicon gebeurde met een snelheid van 10.000 bits per seconde, zodat een opname in minder dan een halve minuut op de magneetband stond.

Er werden om beurten foto's gemaakt door een oranje en groen filter. De foto's overlapten elkaar en zodoende kon men een indruk krijgen van de kleur van het Marsoppervlak.

Met de camera kon men details waarnemen van 3 km of groter.
Anderhalf uur na de laatste opname ging het ruimtevaartuig achter Mars langs en de communicatie was voor 54 minuten onderbroken. Daarna duurde het nog 8,5 uur voordat men de band kon gaan afdraaien. Dit ging in een zeer laag tempo. Dat was nodig vanwege de enorme afstand tussen Mars en de Aarde en de ongevoeligheid van de toenmalige ontvangstations op Aarde.

Van de 10,5 Watt die de antenne van de Mariner verliet kwam slechts één triljoenste gedeelte op Aarde aan (10-18 Watt). Door de signalen in een laag tempo uit te zenden (en digitaal!), kwamen de beelden goed over. Het overseinen van één foto duurde zo 8 uur. En na elke foto werden er 1,5 uur lang technische gegevens doorgestuurd voordat de volgende foto aan de beurt was.

Op die manier was pas na acht en een halve dag de hele oogst binnen.

Alles, van het maken van de foto's tot en met het versturen, was vastgelegd in een programma van een eenvoudige computer. De tekening links laat zien hoe de ontvangen gegevens werden opgeslagen in computers en hoe die gegevens later weer omgezet werden in foto's.

 

resultaten

Een van de 21 Marsfoto's, gemaakt door Mariner 4 De 21 foto's geplot op een Marskaart. Doordat ze zijn geprojecteerd op een kaart met Mercator project, zijn de vierkante opnamen vertekend op de kaart gekomen.

Mars heeft allerlei soorten landschappen: canyons, vlakten en gekraterde gedeelten. Toevallig waren alle foto's van Mariner 4 opgenomen in een kratergebied. 

Na de passage van Mars kwam Mariner 4 in een baan om de zon. In 1966 was hij nog steeds bezig om elke drie weken een serie gegevens uit te zenden.

Mariner 5 

Deze "onbekende" Mariner passeerde eind 1967 de planeet Venus op een afstand van 3991 km. Ook deze Mariner had geen camera's aan boord, maar leverde wel weer informatie op over de atmosfeer van Venus

Mariner 6 en 7

Deze Mariners werden met de krachtiger Atlas Agena raket naar Mars gelanceerd omdat ze iets zwaarder waren dan hun voorganger. Beide vluchten waren een succes. Mariner 6 werd gelanceerd op 17 maart 1969 en nummer 7 op 17 maart.

Vijf dagen na elkaar (31 juli en 5 augustus van hetzelfde jaar) passeerde ze Mars. 

camera's

Dit keer waren er twee camera's aan boord. Camera A had een groothoeklens en was slechts in actie tijdens de 18 minuten durende dichtste passage van de rode planeet. Met deze camera werden opnamen gemaakt door een rood, groen en blauw filter, zodat er kleurenopnamen samengesteld konden worden. 
De brandpuntafstand van camera B was 10 maal groter, en het beeldveld dus tien maal kleiner. Deze camera werd gebruikt voor het maken van gedetailleerde opnamen. Er werd een geelfilter gebruikt om minder last te hebben van de ijle nevelachtigheid op Mars.
Al op een miljoen km afstand werd de telecamera op Mars gericht. Mariner 6 maakte op die manier al 50 opnamen van Mars, nog voor de passage. De opgenomen beelden werden op de magneetband gezet, overgeseind naar de Aarde, waarna de band weer gewist werd om opnamen te maken tijdens de passage. Mariner 6 leverde 25 passage opnamen op en Mariner 7 33. Afwisselend werden in die 18 minuten de groothoek- en telecamera gebruikt.

De beide Mariners hadden een iets andere opdracht gekregen. De Mariners fotografeerden in een eerste reeks beide het gebied rond de evenaar, maar tijdens de tweede reeks (waarbij men het platform met alle instrumenten iets omhoog kantelde en tegelijk wat terugzwenkte) fotografeerde Mariner 6 nogmaals de evenaar. Mariner 7 fotografeerde in die tweede reeks het gebied rond de zuidpool.

Het beeld van de camera (op het vidicon) was 9,6 bij 12,3 mm groot en had 704 lijnen per foto. Elke lijn bestond uit 945 pixels. En de beelden waren mooier, want er kon nu onderscheid gemaakt worden in 256 helderheden. Deze foto's waren per stuk 5 miljoen bits. Het uitzenden naar de aarde gebeurde met een tempo van 16.200 bits per seconde. Zo duurde het nog maar een kleine drie uur om alle 33 "dichtbij" foto's   van Mariner 7 over te sturen. De Marsglobe hiernaast laat de foto's zien die de Mariners 6 en 7 hebben genomen. Linksonder is een foto van Mars te zien, van dichtbij genomen door Mariner 7 en rechtsonder is een serie te zien van dezelfde Mariner, tijdens het aanvliegen van Mars.

 

 

 

 

 

 

Mariner 9


Mariner 8 kwam na de lancering in de Atlantische Oceaan terecht. Mariner 9 werd gelanceerd op 30 mei 1971 met een Atlas Centaur en werd een groot succes. Deze Mariner was zwaarder en zag er iets anders uit dan de eerdere Mariners. Dat kwam vooral door de twee ingepakte brandstoftanks, voor de remmotor.
De schotelantenne had een diameter van 1,44 m.
De totale hoogte was 2,28 m en het gewicht 998 kg, waarvan 439 kg brandstof en stikstof voor de standregel raketjes.
De opbrengst van de zonnepanelen was bij de Aarde 800 Watt en bij Mars 50 Watt. Een accu van 20 ampère uur bewaarde de elektrische energie.

De "grote" raket boven op de Mariner had een stuwkracht van 1340 N en kon 5 maal gestart worden. Hiermee werd later ook de baan nog veranderd.
De positie werd gecontroleerd met een zonnesensor en een Canopus sensor. Gyroscopen en een versnellingsmeter maakten het compleet. (Die versnellingsmeter was ook belangrijk om bij Mars de remmotor uit te schakelen toen de juiste snelheid was bereikt).

De computer aan boord kon 512 opdrachten opslaan in het geheugen. De gegevens (metingen en foto's) werden digitaal op een band opgeslagen die een lengte had van 168 meter. Er waren 8 sporen die beschreven werden. De recorder kon 180 miljoen bits opslaan met een snelheid van 132 Kb/sec. Afspelen ging met snelheden van 16, 8, 4, 2 en 1 kB/sec. Voor het overseinen van gegevens naar de Aarde werden twee zenders gebruikt van 10 en 20 Watt. Voor ontvangst was een enkele ontvanger aan boord. De zenders en ontvanger konden gebruik maken van de schotelantenne, een kleinere richtantenne en de rondomgevoelige antenne.


Op 13 november van datzelfde jaar kwam Mariner 9 als eerste kunstmaan in een baan om Mars, na een reis van 400 miljoen km. De baan was eerst ellipsvormig, onder een hoek van 65 graden ten opzicht van de evenaar van Mars. De ingebouwde raket motor werkte een kwartier lang en remde Mariner 9 af door te vuren in de vliegrichting. Door de vertraging van het ruimtevaartuig kwam het in een baan om Mars. De snelheid verminderde hiermee met 1600 m/sec. De baan werd een paar dagen later nog iets meer cirkelvormig gemaakt. Helaas kwam Mariner 9 aan tijdens een van de beruchte stofstormen op de planeet, zodat er heel weinig te zien was. Alleen de hoogste punten op Mars, zoals kratertoppen, waren zichtbaar. Men kreeg het bij NASA een beetje benauwd, want de gegarandeerde levensduur van Mariner was 3 maanden... Het betere weer begon anderhalve maand na aankomst. Het eerst werd de zuidpool zichtbaar. De computer werd opnieuw geprogrammeerd voor een aangepast programma. Gelukkig hield Mariner 9 het een jaar vol, zodat het programma volledig afgewerkt kon worden. 70% van het Marsoppervlak werd in kaart gebracht! Hierna kwam Mariner 9 twee maanden lang geregeld in de schaduw van Mars, zodat er weinig energie aan boord was. In de verlengde missie (Mariner 9 was nog in een uitstekende conditie) werd ook de resterende 30% van het marsoppervlak in kaart gebracht.

Behalve de prominent onder de Mariner 9 aanwezige camera's waren er nog de volgende instrumenten aanwezig: infrarood stralingsmeter, een ultraviolet spectrometer, en een infrarood interferometer spectrometer. Een spectrometer geeft als het ware een "vingerafdruk" van de straling.

camera's

Er waren weer twee camera's aan boord. Ten eerste een groothoek camera met een brandpuntafstand van 52 mm en een beeldhoek van 15,5 bij 10,5 graden en ten tweede een tele camera met een brandpuntafstand van 500 mm (en een beeldhoek van 1,41 bij 1,06 graden). In beide gevallen leverde dit beelden op van 700 lijnen van 832 pixels. Er was een kleurenfilterwiel aanwezig in de camera's maar dit heeft slechts tijdelijk gewerkt.
Beide camera's konden op een platform (samen met de andere instrumenten) in twee richtingen bewogen worden. Op de vidicons waren merktekens aangebracht om later de opnamen goed te kunnen uitmeten. Vooral de telecamera was erg gevoelig. Hij kon sterren van de 9e magnitude waarnemen, wat 16 keer beter is dan ons oog in de donkerste nacht die je je kunt bedenken... De gefotografeerde sterrenbeelden werden op Aarde gebruikt om de navigatie te kunnen controleren.

Na 349 dagen waren er 7329 foto's ontvangen. Mariner 9 draait nog steeds om Mars. In 2025 zal hij uiteindelijk neerstorten op het marsoppervlak. Rechts een gedeelte van de naar Mariner 9 genoemde Vallis Marineris, een grote canyon.

 

Mariner 10

Mariner 10, de laatste uit de serie, bezocht Venus en de planeet Mercurius, die het dichtst bij de de zon staat. Vandaar het zonnescherm (sunshade), want bij de zon in de buurt is het erg warm!

Het is het enige ruimtevaartuig dat ooit Mercurius van dichtbij bekeek* en bovendien het eerste dat twee planeten bezocht. Voor het eerst werd er gebruik gemaakt van een planeet (in dit geval Venus) om een ruimtevaartuig een "zwaai" te geven richting een volgende planeet. Op die manier duurt de reis iets langer, maar de draagraket hoeft niet zo zwaar te zijn.

Mariner 10 werd op 3 november 1973 gelanceerd en vloog op weg naar Mercurius heel dicht langs de planeet Venus. Die planeet werd gepasseerd op 5 februari 1974. Nu waren er wel camera's aan boord. Tijdens de eerste vijf dagen van de vlucht werden de camera's van de Mariner 10 al getest op de Aarde en de Maan. Zo kreeg men al een goede indruk van de mogelijkheden en bovendien konden de Mercurius foto's nauwkeuriger geïnterpreteerd worden door de maan opnamen goed op te meten.

Op 29 maart 1974 passeerde Mariner 10 Mercurius op een hoogte van 689 km. Daarna kwam hij in een baan om de zon terecht en op 21 september 1974 was er een tweede ontmoeting met Mercurius. Nu was de afstand tot de planeet groter: 47.913 km. Op 16 maart 1975 passeerde de Mariner 10 voor de derde maal Mercurius. Nu op een hoogte van 327 km! Dit was de laatste ontmoeting, want de gasvoorraad voor de standregelraketjes (die ook de baan correcties verzorgden) was opgeraakt.

De kennis over Mercurius is met sprongen toegenomen. Met aardse telescopen konden we alleen details zien die groter zijn dan 300 km. De Mariner 10 opnamen tonen nog details van 100 m. Zoals op de tekening hierboven te zien is, bevonden zich nog allerlei instrumenten in en aan de Mariner, want de fotografie maakt altijd maar een deel uit van alle experimenten aan boord.

Alle Mariners zaten met de zonnepanelen opgevouwen in de neuskegel van de draagraket. Zo ook Mariner 10, met twee zonnepanelen. De zwaai die Venus aan de Mariner 10 gaf, richting Mercurius

Het gewicht van Mariner 10 was 504 kg, waarvan 20 kg hydrazine brandstof en 80 kg instrumenten. De hoogte, inclusief mast, was 3,7 m. Met de zonnepanelen uitgeklapt, was de spanwijdte 8 m.
De communicatie verliep via uitzendingen op de S-band ( 2295 MHz) en de X band (8415 MHz). De Aarde werd ontvangen op 2113 MHz.

camera's

Er waren twee dubbele camera's aan boord. Elke camera was tegelijk een groothoek- en telecamera.

Elke camera had een groothoeklens (brandpunt afstand 62 mm) die een beeldveld had van 9 bij 11 graden en een telelens (brandpunt afstand 1500 mm) met een beeldveld van 0,38 bij 0,47 graden. Tijdens de passages van Mercurius werden resp. 2300, 2000 en 500 opnamen gemaakt. Een groot deel van de planeet (75%) werd in kaart gebracht.

De telelens was weer een telescoop van het Schmidt- Cassegrain type. Die is lichter te bouwen dan een zware tele objectief met veel glazen lenzen. Het inkomende beeld passeert een correctielens, reflecteert op een binnenste spiegel die niet is aangegeven in de tekening en komt vervolgens op een spiegel terecht die zich midden in de correctielens bevindt. Vervolgens project die spiegel het beeld weer op de vidicon. De vidicon bevindt zich in A. B is het filterwiel met 6 verschillende filters:

D is de groothoek lens. Een spiegeltje (C) kan beurtelings het beeld van de groothoeklens en dat van de telelens op de vidicon projecteren. De vidicon had 700 lijnen van 832 pixels. Het beeldje op de vidicon was 9,6 bij 12,35 mm. De sluitersnelheid was regelbaar tussen 33 millisec. en 11,7 sec.

Dataopslag vond weer plaats m.b.v. een digitale taperecorder, maar vaak werden de foto's meteen uitgezonden met een snelheid van 117,6 kBs. Veel foto's werden incompleet overgezonden, zodat er 75% van de pixels ontbraken. Dat moest later op Aarde gereconstrueerd worden. Ook waren er bij de derde passage van Mercurius problemen met de taperecorder en de zender. Maar zoals meestal het geval was, kwam NASA ook die problemen weer te boven.

De twee dubbele camera's van Mariner 10

 

Het wolkendek van Venus, door Mariner 10. In ultraviolet licht laten de wolken details zien, die in het normale licht niet zichtbaar zijn. Mariner 10 bij Mercurius. Deze foto is genaamd "weird terrein", ofwel "vreemd terrein".

*) momenteel is de NASA Messenger, gelanceerd in 2004 bezig met onderzoek aan Mercurius. In september 2009 zal de Messenger Mercurius voor de derde keer passeren en in 2011 in de baan van Mercurius gaan draaien. Messenger heeft ook twee passages langs Venus gemaakt.

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/