Apollo 6

Als die AS-502 am 4. April 1968 von Startrampe 39A des Kennedy Space Center abhob, testete die NASA kein Raumschiff: Sie unterzog zum zweiten und letzten Mal jene Rakete einer Prüfung, mit der sie drei Männer zum Mond bringen wollte. Apollo 6 war der dritte und letzte unbemannte Flug des Apollo-Programms und der zweite der Saturn V. Ihre offizielle Bezeichnung lautete AS-502; das Fahrzeug war die zweite flugfähige Saturn V, und das Ziel bestand darin, die Qualifikation der Trägerrakete für den bemannten Flug abzuschließen.

Der Kontext hätte kaum angespannter sein können. Das Feuer von Apollo 1 im Januar 1967 hatte drei Astronauten das Leben gekostet und dazu gezwungen, das Kommandomodul von Grund auf neu zu konstruieren. Apollo 4 hatte im November 1967 die Saturn V mit einem so durchschlagenden Erfolg eingeweiht, dass die Doktrin des „All-up Testing“ – die komplette Rakete gleich beim ersten Versuch zu fliegen, statt Stufe für Stufe zu testen – auf einen Schlag gerechtfertigt war. Vor diesem Hintergrund sollte Apollo 6 die Formalität sein, die den Weg freimachte. Das war sie nicht.

Das vorgesehene Profil war ehrgeizig. Nach Erreichen eines kreisförmigen Parkorbits von rund 190 km sollte die dritte Stufe S-IVB erneut zünden, um eine simulierte translunare Injektion auszuführen: eine Bahn, die jenseits der Mondbahn verlaufen würde, ohne dem Mond zu begegnen. Die Kombination aus Kommando- und Servicemodul (CSM) würde sich kurz nach der S-IVB trennen, und das Triebwerk des Servicemoduls würde das Raumschiff abbremsen und das Apogäum auf 22 204 km (11 989 Seemeilen) absenken, um einen Abbruch mit „Direktrückkehr“ zu simulieren – das Manöver, das eine Besatzung nach Hause bringen würde, falls auf dem Weg zum Mond etwas schiefginge.

Auf dem Rückweg sollte dasselbe Triebwerk ein zweites Mal zünden, um die Kapsel zu beschleunigen und die Bedingungen eines Wiedereintritts vom Mond nachzubilden: Eintrittswinkel von −6,5 Grad und eine Geschwindigkeit von 11 100 m/s (36 500 ft/s). Die gesamte Mission würde etwa zehn Stunden dauern. Was wirklich geprüft wurde, waren die Belastungen auf die Mondfähre und die Schwingungsmoden der kompletten Saturn V bei nahezu maximaler Beladung; das Raumschiff war bereits mit Apollo 4 qualifiziert worden, der Schwerpunkt lag also auf der Trägerrakete.

Die Nutzlast der AS-502 bestand aus dem CSM-020, einem Kommando- und Servicemodul des Block I mit einigen Änderungen des Block II, und einem Mondtestkörper. Das Block I konnte nicht an eine Mondlandefähre ankoppeln, was das Block II später können würde. Zu den Änderungen am CSM-020 gehörte vor allem eine neue Luke, die jene ersetzte, die die Untersuchungskommission zu Apollo 1 als in einem Notfall zu schwer zu öffnen verurteilt hatte. Diese Luke sollte unter den Bedingungen einer Mondrückkehr erprobt werden. Als Kommandomodul diente das CM-020, ausgestattet mit einem Missionsprogrammgeber und mit der Instrumentierung, die für den Fernbetrieb nötig war.

Das Servicemodul war nicht das ursprünglich vorgesehene. Das SM-020, ursprünglich Apollo 6 zugewiesen, war bei Apollo 4 verwendet worden, nachdem das SM-017 jener Mission bei einer Explosion zerstört worden war und ausgemustert werden musste; und das CM-014 stand nicht zur Verfügung, weil es als Studienobjekt bei der Untersuchung von Apollo 1 diente. Es flog daher das SM-014. Angesichts der vorgesehenen Kürze des Fluges wurden nicht alle Systeme aktiviert: Die Radiatoren, die überschüssige Wärme des elektrischen Systems und der Umweltkontrolle abführen, wurden gar nicht erst angeschlossen.

Kenneth S. Kleinknecht, Verantwortlicher für das Kommando- und Servicemodul im Manned Spacecraft Center in Houston, war mit dem CSM-020 zufrieden, als es von North American Aviation eintraf, auch wenn ihm missfiel, dass es in brennbares Mylar eingewickelt kam. Der Kontrast zu Apollo 1 sprach Bände: Jenes Raumschiff war mit Hunderten ungelöster Punkte eingetroffen; das CSM-020 kam mit dreiundzwanzig, fast alle routinemäßig.

Die Nutzlast komplettierte das LTA-2R, eine simulierte Mondfähre: eine Abstiegsstufe in Flugausführung, ohne Landebeine, mit Treibstofftanks voller Wasser-Glykol-Gemisch und Freon in den Oxidatortanks. Ihre Aufstiegsstufe enthielt keinerlei Systeme: Sie bestand aus ballastiertem, instrumentiertem Aluminium zur Messung von Vibration, Akustik und Strukturintegrität. Das LTA-2R blieb während des gesamten Fluges im Raumschiff-Mondfähre-Adapter, dem SLA-9.

Die erste Stufe S-IC traf am 13. März 1967 per Lastkahn ein und wurde vier Tage später im Vehicle Assembly Building aufgerichtet; die dritte Stufe S-IVB und die Instrumenteneinheit kamen am 17. März an. Die zweite Stufe S-II war nicht fertig, daher griff man auf den hantelförmigen Platzhalter zurück, der schon bei Apollo 4 verwendet worden war – gleiche Höhe, gleiche Masse und alle elektrischen Anschlüsse –, um mit den Tests weitermachen zu können. Die S-II traf im Mai ein und wurde am 7. Juli gestapelt und in die Rakete integriert.

Apollo 6 weihte die Hochbucht 3 des Gebäudes ein, und bald stellte sich heraus, dass deren Klimatisierung unzureichend war: Es mussten leistungsstarke mobile Geräte herangeschafft werden, um Arbeiter und Material kühl zu halten. Die Verzögerungen reihten sich aneinander: Im April waren Personal und Ausrüstung mit Apollo 4 beschäftigt, die Arbeiten an den Auslegern der mobilen Startplattform 2 kamen nur langsam voran, und das CSM selbst, für Ende September vorgesehen, verspätete sich um zwei Monate.

Nach dem Start von Apollo 4 am 9. November 1967 beschleunigte sich das Tempo. Das CSM wurde am 11. Dezember 1967 auf die Trägerrakete gesetzt, und der Gesamtaufbau rollte am 6. Februar 1968 zum Startkomplex 39A. Der Transport dauerte den ganzen Tag, und ein Großteil davon fand bei starkem Regen statt; der Raupentransporter musste wegen eines Kommunikationsausfalls zwei Stunden anhalten, und das Fahrzeug erreichte die Rampe erst bei Einbruch der Nacht. Wegen des Windes konnte der mobile Wartungsturm zwei Tage lang nicht herangefahren werden.

Der Flugbereitschaftstest endete am 8. März 1968, und bei der drei Tage später abgehaltenen Überprüfung wurde Apollo 6 unter der Bedingung freigegeben, bestimmte offene Tests und Maßnahmen abzuschließen. Der Start, zunächst für den 28. März angesetzt, wurde wegen Problemen mit Geräten des Lenksystems und der Betankung auf den 1. und dann auf den 3. April verschoben. Der finale Countdown begann am 3. April; spätere Probleme wurden innerhalb der planmäßigen Haltepunkte gelöst und verzögerten die Mission nicht.

Der Start erfolgte am 4. April 1968 um 7:00:01 Uhr morgens Ostküstenzeit. Während der ersten zwei Minuten verhielt sich die Saturn V normal. Dann, während die erste Stufe S-IC brannte, traten die Pogo-Schwingungen auf: eine Längsschwingung, die das gesamte Fahrzeug durchschüttelte. Die Schubschwankungen setzten die Rakete Beschleunigungen von ±0,6 g (5,9 m/s²) aus, während die Auslegung nur ein Maximum von 0,25 g (2,5 m/s²) vorsah. Das Fahrzeug erlitt keine Schäden, abgesehen vom Verlust einer der Verkleidungsplatten des SLA-Adapters.

George Mueller, Associate Administrator der NASA für bemannte Raumfahrt, erklärte das Phänomen vor einem Ausschuss des Repräsentantenhauses mit einem Bild aus dem Alltag: Der Schub eines Raketentriebwerks sei nie vollkommen gleichmäßig, weil auch die Verbrennung es nicht sei; die Leitung, die den Treibstoff von den Tanks zum Triebwerk führt, besitze aufgrund ihrer Länge eine eigene Resonanzfrequenz, „wie eine Orgelpfeife“; und die Struktur der Rakete verhalte sich „wie eine Stimmgabel“, die in Längsrichtung zu schwingen vermag, wenn man sie an der richtigen Stelle anschlägt. Der Pogo ist die Wechselwirkung zwischen diesen Frequenzen.

Nach der Trennung der ersten Stufe verlagerten sich die Probleme auf die J-2-Triebwerke der S-II. Triebwerk Nummer zwei begann 225 Sekunden nach dem Start schlechter zu arbeiten und verschlechterte sich bei T+319 Sekunden abrupt. Bei T+412 Sekunden schaltete die Instrumenteneinheit es vollständig ab, und zwei Sekunden später fiel auch Triebwerk Nummer drei aus. Der Defekt lag bei Triebwerk zwei; doch eine Kabelvertauschung führte dazu, dass der Abschaltbefehl Triebwerk drei erreichte, das normal lief.

Die Instrumenteneinheit konnte ausgleichen: Die drei verbleibenden Triebwerke brannten 58 Sekunden länger als vorgesehen, und die S-IVB musste 29 Sekunden länger brennen, bei einem leichten zusätzlichen Leistungsverlust. Der Ausgleich funktionierte, war aber nicht umsonst.

Aufgrund des mangelhaften Aufstiegs gelangten das CSM und die S-IVB in einen Parkorbit von 173,14 km mal 360,10 km (93,49 mal 194,44 Seemeilen) statt in den geplanten Kreisorbit von 190 km. Die Abweichung verhinderte nicht die Fortsetzung der Mission. Während des ersten Umlaufs manövrierte die S-IVB, um ihre Lage gegenüber dem Horizont zu ändern und die Verfahren zur Navigation an Orientierungspunkten zu qualifizieren, die künftige Astronauten nutzen würden. Danach, nach den beiden vorgeschriebenen Umläufen, um zu prüfen, ob das Fahrzeug für die translunare Injektion bereit war, wurde die erneute Zündung der S-IVB befohlen. Die Stufe zündete nicht erneut.

Flugdirektor Clifford E. Charlesworth und sein Team in der Missionskontrolle griffen auf eine bereits vorgesehene Alternative zurück: das Triebwerk des Service-Antriebssystems (SPS) des Servicemoduls zu nutzen, um das Raumschiff auf eine Bahn mit hohem Apogäum und niedrigem Perigäum zu bringen, die den Wiedereintritt herbeiführte, so wie es bei Apollo 4 geschehen war. Dieser Plan erlaubte es, einen Teil der Ziele zu erreichen. Das SPS brannte 442 Sekunden lang, bis das vorgesehene Apogäum von 22 204 km (11 989 Seemeilen) erreicht war.

Der Preis war die Wiedereintrittsenergie. Für die zweite Zündung des SPS, die die Kapsel beschleunigen sollte, blieb kein Treibstoff mehr übrig, sodass das Raumschiff mit etwa 10 000 m/s (33 000 ft/s) in die Atmosphäre eintrat statt mit den 11 000 m/s (37 000 ft/s), die eine Mondrückkehr simuliert hätten. Die große erreichte Höhe brachte dagegen eine unerwartete Ausbeute: Das Kommandomodul konnte messen, inwieweit die Außenhaut des Raumschiffs künftige Astronauten vor den Van-Allen-Gürteln schützen würde.

Etwa zehn Stunden nach dem Start wasserte das Kommandomodul 80 Kilometer (43 Seemeilen) vom vorgesehenen Punkt entfernt im Nordpazifik, nördlich von Hawaii, und wurde an Bord der USS Okinawa gehievt. Das Servicemodul trennte sich unmittelbar vor dem Wiedereintritt und zerfiel. Die Umlaufbahn der S-IVB sank allmählich ab, bis die Stufe am 26. April 1968 wieder in die Atmosphäre eintrat.

Die Saturn V führte mehrere Kameras mit, die ausgeworfen und geborgen werden sollten. Drei der vier an der S-IC installierten Kameras ließen sich nicht auswerfen und wurden zerstört, und von den beiden der S-II wurde nur eine geborgen: genau die, die die Stufentrennung gefilmt hatte. Der Fehler wurde dem fehlenden Stickstoffdruck in den für den Auswurf zuständigen Flaschen zugeschrieben. Die Filmkamera des Kommandomoduls sollte Start und Wiedereintritt aufnehmen, doch da die Mission etwa zehn Minuten länger dauerte als vorgesehen, wurden die Wiedereintrittsereignisse nicht aufgezeichnet. Dagegen funktionierte eine 70-mm-Fotokamera, die vom Luckenfenster aus auf die Erde gerichtet war, mit Film und Filter, die den Dunst durchdringen konnten: Sie erfasste Teile der Vereinigten Staaten, den Atlantik, Afrika und den westlichen Pazifik, und ihre Aufnahmen, mit besserer Farbbalance und höherer Auflösung als die früherer bemannter Missionen, erwiesen sich als hervorragend für kartografische, topografische und geografische Studien.

Auf der Pressekonferenz nach dem Start räumte der Apollo-Programmdirektor Samuel C. Phillips ein, dass es „zweifellos eine weniger als perfekte Mission“ sei, fügte aber hinzu, dass das Erreichen der Umlaufbahn trotz des Verlusts zweier Triebwerke „eine wichtige, nicht geplante Leistung“ gewesen sei. Mueller bezeichnete sie als „insgesamt gute Arbeit, einen hervorragenden Start und unter dem Strich eine erfolgreiche Mission“, räumte später jedoch ein, dass man Apollo 6 „als Fehlschlag wird einstufen müssen“.

Der Pogo war ein wohlbekanntes Phänomen; die NASA glaubte, die Saturn V „verstimmt“ zu haben, das heißt, sie daran gehindert zu haben, in ihren Eigenfrequenzen zu schwingen. Dem war nicht so. Rund tausend Ingenieure aus Behörde und Industrie machten sich an die Arbeit an dem Problem. Die Lösung, die Druckschwingungen in den Triebwerken F-1 und J-2 zu dämpfen, bestand darin, kurz vor dem Start die Hohlräume der Ventile, die sie speisen, mit Helium zu füllen, in der Art eines Stoßdämpfers.

Die Ausfälle der S-II und der S-IVB gingen auf das J-2 selbst zurück, das beiden Stufen gemeinsame Triebwerk. Das J-2 besitzt einen Augmented Spark Igniter (ASI), praktisch ein Miniatur-Raketentriebwerk, das in der Mitte der Triebwerkskuppel montiert ist: Es erhält kryogenen Treibstoff mit einem so geringen Durchsatz, dass eine Zündkerze das Gemisch entzünden kann, und die entstehende Flamme vermag den Hauptstrom zu zünden. Spätere Tests zeigten, dass die Treibstoffleitungen, die den ASI speisen, im Vakuum brechen konnten. Diese Leitungen hatten einen Abschnitt mit Metallbalg zur Aufnahme der Wärmedehnung; bei Bodentests bildeten die kalten Treibstoffe eine Reifschicht in der Sauerstoffleitung und verflüssigte Luft in der Wasserstoffleitung, und diese Schicht dämpfte die Schwingungen. Im Vakuum gibt es einen solchen Schutz nicht.

Bei Apollo 6 versagte die Wasserstoffleitung des ASI von Triebwerk zwei, während die Sauerstoffleitung den Zünder weiter speiste. Der in eine wasserstoffreiche Kammer eingespritzte Sauerstoffüberschuss ließ die Temperatur im Bereich des Zünders enorm ansteigen und durchlöcherte die Triebwerkskuppel; der Druckverlust veranlasste die Instrumenteneinheit, den Abschaltbefehl zu geben. Der Verdrahtungsfehler gab diesen Befehl an Triebwerk drei weiter; dessen Druckabfall erzeugte einen zweiten Abschaltbefehl, der über dieselbe Vertauschung Triebwerk zwei abschaltete. Die drei übrigen Triebwerke liefen weiter. Ein analoger Ausfall der Zünderleitungen war höchstwahrscheinlich der Grund, warum das einzige J-2 der S-IVB nicht erneut gezündet werden konnte.

Für die folgenden Flüge wurden die Bälge durch starre Krümmer ersetzt und die Leitungen verstärkt. Ebenso wurde erörtert, das Notfallerkennungssystem so zu konfigurieren, dass es bei übermäßigem Pogo automatisch abbricht; der Direktor der Flugbesatzungsoperationen, Deke Slayton, lehnte dies ab, und man entschied sich, einen „Pogo-Abbruchsensor“ zu entwickeln, der die Entscheidung der Besatzung überließ. Im August 1968 war klar, dass sich der Pogo auch ohne diesen Sensor beherrschen ließ, und die Arbeit wurde aufgegeben. Was die verlorene SLA-Platte betraf, lag die Ursache in ihrer Wabenstruktur: Als die Rakete durch die Atmosphäre beschleunigte, dehnten sich die Zellen durch die eingeschlossene Luft und Feuchtigkeit aus und rissen die Oberfläche des Adapters ab. Die Antwort bestand darin, kleine Löcher zu bohren, damit die Gase entweichen konnten, und eine dünne Korkschicht aufzutragen, die die Feuchtigkeit aufnahm.

Die Reaktion der NASA genügte, um den Senatsausschuss für Luft- und Raumfahrtwissenschaften zufriedenzustellen, der Ende April berichtete, die Behörde habe die Anomalien von Apollo 6 rasch analysiert und diagnostiziert und Korrekturmaßnahmen ergriffen. Nach der detaillierten Analyse des Verhaltens der Saturn V und der geplanten Korrekturen kamen die Ingenieure des Marshall Space Flight Center in Alabama zu dem Schluss, dass ein dritter unbemannter Flug der Saturn V unnötig sei. Die nächste fliegende Saturn V, die von Apollo 8, würde bemannt sein; Apollo 7, die erste bemannte Mission des Programms, würde mit einer Saturn IB starten.

Es ist eine Entscheidung, die noch heute beeindruckt: zwei abgeschaltete Triebwerke, eine Stufe, die nicht erneut zündete, eine Vibration, die den Auslegungsgrenzwert verdreifachte – und dennoch wurde das Fahrzeug acht Monate später als tauglich erklärt, Menschen an Bord zu fliegen. Die Begründung lautete, dass alle Fehler bis zur Grundursache erklärt worden waren, dass die Korrekturen überprüfbar waren und dass der Flug selbst eine beachtliche Reserve gezeigt hatte: Die Rakete erreichte mit drei statt fünf Triebwerken der zweiten Stufe die Umlaufbahn.

Über Apollo 6 wurde kaum berichtet. Am Tag des Starts wurde Martin Luther King Jr. in Memphis ermordet; vier Tage zuvor hatte Präsident Lyndon B. Johnson angekündigt, nicht für eine Wiederwahl zu kandidieren. Die problematischste Mission des Apollo-Programms wurde durchgeführt, analysiert und zur Erlaubnis, zum Mond zu fliegen, fast ohne dass jemand hinsah.

Nach der Mission ging das CM-020 an die Smithsonian Institution. Das Kommandomodul von Apollo 6 ist heute im Fernbank Science Center in Atlanta, Georgia, ausgestellt.