Введение
Космический зонд НАСА, запущенный в марте 1972 года, «Пионер-10» (первоначально обозначенный как «Пионер F») — космический зонд НАСА, запущенный в 1972 году, который выполнил первую миссию к планете Юпитер. «Пионер-10» стал первым из пяти планетарных зондов и 11 искусственных объектов, достигших первой космической скорости, необходимой для покидания Солнечной системы. Этот проект по исследованию космоса был осуществлен в Исследовательском центре NASA имени Эймса в Калифорнии. Космический зонд был изготовлен компанией TRW Inc. «Пионер-10» был собран вокруг шестиугольной платформы с параболической антенной высокой направленности большого диаметра, и космический аппарат был стабилизирован вращением вокруг оси антенны. Его электрическая энергия обеспечивалась четырьмя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами, которые обеспечивали суммарную мощность 155 ватт на момент запуска. Запуск состоялся 3 марта 1972 года в 01:49:00 UTC (2 марта по местному времени) с помощью ракеты-носителя Atlas Centaur с мыса Канаверал, штат Флорида. С 15 июля 1972 года по 15 февраля 1973 года он стал первым космическим аппаратом, пересекшим пояс астероидов. Фотографирование Юпитера началось 6 ноября 1973 года с расстояния, и было передано около 500 изображений. Наименьшее расстояние до планеты было достигнуто 3 декабря 1973 года. В ходе миссии бортовые приборы использовались для изучения пояса астероидов, окружающей среды Юпитера, солнечного ветра, космических лучей, а также дальних областей Солнечной системы и гелиосферы. Чтобы уложиться в график, первый запуск должен был состояться между 29 февраля и 17 марта, чтобы аппарат мог прибыть к Юпитеру в ноябре 1974 года. Позже эта дата была перенесена на декабрь 1973 года, чтобы избежать конфликтов с другими миссиями при использовании сети дальнего космоса для связи и не попасть в период, когда Земля и Юпитер находились бы на противоположных сторонах Солнца. Траектория полёта «Пионера-10» была выбрана для получения максимального объема информации о радиационной обстановке вокруг Юпитера, даже если это могло привести к повреждению некоторых систем. Предполагалось, что аппарат приблизится к планете на расстояние, равное трём радиусам планеты, что считалось максимально безопасным расстоянием для выживания в радиации. Выбранная траектория обеспечивала хороший обзор освещённой Солнцем стороны планеты.
Pioneer 10 (originally designated Pioneer F) is a NASA space probe launched in 1972 that completed the first mission to the planet Jupiter. Pioneer 10 became the first of five planetary probes and 11 artificial objects to achieve the escape velocity needed to leave the Solar System. This space exploration project was conducted by the NASA Ames Research Center in California. The space probe was manufactured by TRW Inc.
Pioneer 10 was assembled around a hexagonal bus with a diameter parabolic dish high gain antenna, and the spacecraft was spin stabilized around the axis of the antenna. Its electric power was supplied by four radioisotope thermoelectric generators that provided a combined 155 watts at launch. It was launched on March 3, 1972, at 01:49:00 UTC (March 2 local time), by an Atlas Centaur rocket from Cape Canaveral, Florida. Between July 15, 1972, and February 15, 1973, it became the first spacecraft to traverse the asteroid belt. Photography of Jupiter began on November 6, 1973, at a range of , and about 500 images were transmitted. The closest approach to the planet was on December 3, 1973, at a range of During the mission, the on board instruments were used to study the asteroid belt, the environment around Jupiter, the solar wind, cosmic rays, and eventually the far reaches of the Solar System and heliosphere. To meet the schedule, the first launch would need to take place between February 29 and March 17 so that it could arrive at Jupiter in November 1974. This was later revised to an arrival date of December 1973 in order to avoid conflicts with other missions over the use of the Deep Space Network for communications, and to miss the period when Earth and Jupiter would be at opposite sides of the Sun. The encounter trajectory for Pioneer 10 was selected to maximize the information returned about the radiation environment around Jupiter, even if this caused damage to some systems. It would come within about three times the radius of the planet, which was thought to be the closest it could approach and still survive the radiation. The trajectory chosen would give the spacecraft a good view of the sunlit side.
Конструкция космических аппаратов
Автобус Pioneer 10 имеет значительную глубину и состоит из шести длинных панелей, формирующих шестиугольную структуру. В автобусе размещены запасы топлива для управления ориентацией зонда и восемь из одиннадцати научных приборов. Оборудование размещалось внутри структуры из алюминиевого сотового материала для защиты от метеороидов. Пассивный тепловой контроль обеспечивался слоем изоляции, состоящим из алюминизированных листов милара и каптона. Тепло выделялось за счет рассеивания мощности от 70 до 120 ватт (Вт) от электрических компонентов внутри отсека. Диапазон температур поддерживался в пределах рабочих параметров оборудования с помощью жалюзи, расположенных под монтажной платформой. Гидразиновые двигатели были установлены тремя парами. Первая пара поддерживала постоянную скорость вращения 4,8 об/мин, вторая пара управляла тягой, а третья – ориентацией. Пара двигателей ориентации использовалась для конического сканирования при отслеживании Земли на её орбите. Информацию об ориентации также предоставляли звёздный датчик, способный ориентироваться по Канопусу, и два датчика Солнца.
Запуск и траектория
Пионер-10 был запущен 3 марта 1972 года в 01:49:00 UTC (8:49 вечера по восточному стандартному времени 2 марта) Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства с Космического пускового комплекса 36A во Флориде на борту ракеты-носителя Atlas Centaur. Третья ступень ракеты-носителя состояла из твердотопливной ступени Star 37E (TE M 364 4), разработанной специально для миссий Pioneer. Эта ступень обеспечивала тягу и раскрутила космический аппарат. Начальная скорость вращения космического аппарата составляла 30 об/мин. Через 20 минут после запуска были выдвинуты три стрелы, что замедлило скорость вращения до 4,8 об/мин. Эта скорость поддерживалась на протяжении всего полета. Ракета-носитель разгоняла зонд в течение 17 минут, достигнув скорости в После установления контакта с высокоусиливающей антенной несколько приборов были активированы для тестирования, пока космический аппарат двигался через радиационные пояса Земли. Через 90 минут после запуска космический аппарат достиг межпланетного пространства. Пионер-10 пролетел мимо Луны за 11 часов и стал самым быстрым искусственным объектом, созданным человеком на тот момент. Через два дня после запуска были включены научные приборы, начиная с телескопа для регистрации космических лучей. Через десять дней все приборы были приведены в действие. В течение первых семи месяцев полета космический аппарат трижды корректировал курс. Бортовые приборы прошли проверку, фотометры исследовали Юпитер и зодиакальный свет, а экспериментальные комплексы использовались для измерения космических лучей, магнитных полей и солнечного ветра. Единственной аномалией за этот период времени был отказ датчика Canopus, из-за чего космическому аппарату пришлось поддерживать ориентацию, используя два солнечных датчика. Проходя через межпланетную среду, Пионер-10 стал первой миссией, обнаружившей межпланетные атомы гелия. Он также зафиксировал высокоэнергетические ионы алюминия и натрия в солнечном ветре. Космический аппарат зарегистрировал важные данные по гелиофизике в начале августа 1972 года, зафиксировав солнечный ударный фронт, когда он находился на расстоянии 15 июля 1972 года Пионер-10 стал первым космическим аппаратом, вошедшим в пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Планировщики проекта ожидали безопасного прохождения через пояс, и ближайшее расстояние, на которое траектория могла приблизить космический аппарат к любому из известных астероидов, составляло 2 декабря 1972 года. Бортовые эксперименты показали дефицит частиц размером менее микрометра (мкм) в поясе по сравнению с окрестностями Земли. Плотность частиц пыли от 10 до 100 мкм существенно не менялась во время полета от Земли к внешнему краю пояса. Только для частиц диаметром от 100 мкм до 1,0 мм плотность увеличилась в три раза в области пояса. В поясе не было обнаружено фрагментов размером более миллиметра, что указывает на их вероятную редкость; безусловно, их было меньше, чем ожидалось. Поскольку космический аппарат не столкнулся с частицами значительного размера, он благополучно прошел через пояс, выйдя на другую сторону примерно 15 февраля 1973 года. Уровень радиации на Юпитере был в десять раз выше, чем предсказывали конструкторы Пионера, что вызвало опасения, что зонд не выживет. Начиная с 3 декабря, радиация вокруг Юпитера вызывала генерацию ложных команд. Большинство из них были исправлены с помощью резервных команд, но изображение Ио и несколько крупных планов Юпитера были потеряны. Подобные ложные команды генерировались и при выходе с планеты. Тем не менее Пионер-10 успешно получил изображения спутников Ганимеда и Европы. На изображении Ганимеда в центре и вблизи южного полюса были видны области с низким альбедо, а северный полюс казался ярче. Европа была слишком далеко для получения детального изображения, хотя некоторые особенности альбедо были заметны. Траектория Пионера-10 была выбрана таким образом, чтобы он проходил за Ио, что позволило измерить эффект преломления атмосферы Луны на радиопередачи. Это показало, что ионосфера Луны находится примерно над поверхностью дневной стороны, а плотность колеблется от 60 000 электронов на кубический сантиметр на дневной стороне до 9 000 электронов на кубический сантиметр на ночной стороне. Неожиданным открытием стало то, что Ио вращался внутри облака водорода, простирающегося примерно на 300 км в ширину и высоту. Меньшее облако, предположительно, было обнаружено вблизи Европы. Только после того, как Пионер-10 покинул пояс астероидов, NASA выбрало траекторию к Юпитеру, которая включала гравитационный маневр для отправки космического аппарата за пределы Солнечной системы. Пионер-10 был первым космическим аппаратом, предпринявшим такую попытку, которая стала образцом для будущих миссий. Такая расширенная миссия не входила в первоначальное предложение, но была запланирована до запуска. В момент наибольшего сближения скорость космического аппарата достигла , и он подошел на расстояние от внешней атмосферы Юпитера. Были получены крупные планы Большого Красного Пятна и терминатора. Связь с космическим аппаратом прервалась, когда он проходил за планетой. Данные радиооккультации позволили измерить температурную структуру внешней атмосферы, показав температурную инверсию на высотах с давлениями 10 и 100 мбар. Температура на уровне 10 мбар колебалась от , а температура на уровне 100 мбар составляла Космический аппарат создал инфракрасную карту планеты, которая подтвердила идею о том, что планета излучает больше тепла, чем получает от Солнца. Затем были получены серповидные изображения планеты по мере того, как Пионер-10 удалялся от нее. Двигаясь наружу, космический аппарат снова прошел ударный фронт магнитосферы Юпитера. Поскольку этот фронт постоянно смещается в пространстве из-за динамического взаимодействия с солнечным ветром, аппарат пересек ударный фронт в общей сложности 17 раз, прежде чем окончательно его покинул.
After the high gain antenna was contacted, several of the instruments were activated for testing while the spacecraft was moving through the Earth's radiation belts. Ninety minutes after launch, the spacecraft reached interplanetary space. Pioneer 10 passed by the Moon in 11 hours and became the fastest human made object at that time. Two days after launch, the scientific instruments were turned on, beginning with the cosmic ray telescope. After ten days, all of the instruments were active. During the first seven months of the journey, the spacecraft made three course corrections. The on board instruments underwent checkouts, with the photometers examining Jupiter and the Zodiacal light, and experiment packages being used to measure cosmic rays, magnetic fields and the solar wind. The only anomaly during this interval was the failure of the Canopus sensor, which instead required the spacecraft to maintain its orientation using the two Sun sensors. While passing through interplanetary medium, Pioneer 10 became the first mission to detect interplanetary atoms of helium. It also observed high energy ions of aluminum and sodium in the solar wind. The spacecraft recorded important heliophysics data in early August 1972 by registering a solar shock wave when it was at a distance of On July 15, 1972, Pioneer 10 was the first spacecraft to enter the asteroid belt, located between the orbits of Mars and Jupiter. The project planners expected a safe passage through the belt, and the closest the trajectory would take the spacecraft to any of the known asteroids was One of the nearest approaches was to the asteroid 307 Nike on December 2, 1972. The on board experiments demonstrated a deficiency of particles below a micrometer (μm) in the belt, as compared to the vicinity of the Earth. The density of dust particles between 10 and 100 μm did not vary significantly during the trip from the Earth to the outer edge of the belt. Only for particles with a diameter of 100 μm to 1.0 mm did the density show an increase, by a factor of three in the region of the belt. No fragments larger than a millimeter were observed in the belt, indicating these are likely rare; certainly much less common than anticipated. As the spacecraft did not collide with any particles of substantial size, it passed safely through the belt, emerging on the other side about February 15, 1973. The level of radiation at Jupiter was ten times more powerful than Pioneer's designers had predicted, leading to fears that the probe would not survive. Starting on December 3, the radiation around Jupiter caused false commands to be generated. Most of these were corrected by contingency commands, but an image of Io and a few close ups of Jupiter were lost. Similar false commands would be generated on the way out from the planet. Nonetheless, Pioneer 10 did succeed in obtaining images of the moons Ganymede and Europa. The image of Ganymede showed low albedo features in the center and near the south pole, while the north pole appeared brighter. Europa was too far away to obtain a detailed image, although some albedo features were apparent. The trajectory of Pioneer 10 was chosen to take it behind Io, allowing the refractive effect of the moon's atmosphere on the radio transmissions to be measured. This demonstrated that the ionosphere of the moon was about above the surface of the day side, and the density ranged from 60,000 electrons per cubic centimeter on the dayside to 9,000 electrons per cubic centimeter on the night face. An unexpected discovery was that Io was orbiting within a cloud of hydrogen that extended for about , with a width and height of A smaller, cloud was believed to have been detected near Europa. It was not until after Pioneer 10 had cleared the asteroid belt that NASA selected a trajectory towards Jupiter which included a slingshot effect to send the spacecraft out of the Solar System. Pioneer 10 was the first spacecraft to attempt such a maneuver, a model for future missions. Such an extended mission was not in the initial proposal, but was planned for prior to launch. At the closest approach, the velocity of the spacecraft reached , and it came within of the outer atmosphere of Jupiter. Close up images of the Great Red Spot and the terminator were obtained. Communication with the spacecraft then ceased as it passed behind the planet. The radio occultation data allowed the temperature structure of the outer atmosphere to be measured, showing a temperature inversion between the altitudes with 10 and 100 mbar pressures. Temperatures at the 10 mbar level ranged from , while temperatures at the 100 mbar level were The spacecraft generated an infrared map of the planet, which confirmed the idea that the planet radiated more heat than it received from the Sun. Crescent images of the planet were then returned as Pioneer 10 moved away from the planet. As the spacecraft headed outward, it again passed the bow shock of Jupiter's magnetosphere. As this front is constantly shifting in space because of dynamic interaction with the solar wind, the vehicle crossed the bow shock a total of 17 times before it escaped completely.
Текущее состояние и будущее
18 июля 2023 года «Вояджер-2» обогнал «Пионер-10», сделав «Пионер-10» третьим по удалённости от Солнца космическим аппаратом после «Вояджера-1» и «Вояджера-2». Если не вмешиваться, «Пионер-10» и его корабль-близнец «Пионер-11» присоединятся к двум аппаратам «Вояджер» и «Новые горизонты» в покидании Солнечной системы и устремятся в межзвёздное пространство. Ожидается, что траектория «Пионера-10» пролежит в общем направлении к звезде Альдебаран, которая в настоящее время находится на расстоянии около 68 световых лет. Если бы Альдебаран не имел относительной скорости, полёт к ней занял бы у аппарата более двух миллионов лет. Это самое близкое прохождение к звезде за несколько миллионов лет среди всех аппаратов «Пионер», «Вояджер» и «Новые горизонты», покидающих Солнечную систему. Резервный экземпляр Pioneer H в настоящее время экспонируется в галерее «Вехи полёта» Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия. Памятная табличка прикреплена к распоркам антенны, где она защищена от межзвёздной пыли.
Пионер 10 в популярных СМИ
В фильме "Звёздный путь V: Последний рубеж" клингонский "Птица добычи" уничтожает "Пионер-10" в качестве учебной цели. В сериальном научно-фантастическом мультимедийном повествовании 17776 один из главных персонажей — разумный "Пионер-10".