«Пионер-10» (первоначально обозначавшийся «Пионер F ») — космический зонд НАСА , запущенный в 1972 году, который завершил первую миссию к планете Юпитер . [6] «Пионер-10» стал первым из пяти планетарных зондов и 11 искусственных объектов, достигших скорости убегания , необходимой для того, чтобы покинуть Солнечную систему . Этот проект исследования космоса проводился Исследовательским центром Эймса НАСА в Калифорнии. Космический зонд был изготовлен компанией TRW Inc.
«Пионер-10» был собран на основе шестиугольной шины с параболической тарельчатой антенной с высоким коэффициентом усиления диаметром 2,74 метра (9 футов 0 дюймов) , а космический корабль был стабилизирован по вращению вокруг оси антенны. Его электроэнергия вырабатывалась четырьмя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами , общая мощность которых при запуске составляла 155 Вт.
Он был запущен 3 марта 1972 года в 01:49:00 UTC (2 марта по местному времени) одноразовым кораблем «Атлас-Кентавр» с мыса Канаверал , Флорида . В период с 15 июля 1972 года по 15 февраля 1973 года он стал первым космическим кораблем, пересекшим пояс астероидов . Фотография Юпитера началась 6 ноября 1973 года на расстоянии 25 миллионов километров (16 миллионов миль ), было передано около 500 изображений. Ближайший подход к планете произошел 3 декабря 1973 года на расстоянии 132 252 километра (82 178 миль). В ходе миссии бортовые инструменты использовались для изучения пояса астероидов, окружающей среды вокруг Юпитера, солнечного ветра , космических лучей и, в конечном итоге, дальних уголков Солнечной системы и гелиосферы . [6]
Радиосвязь с «Пионером-10» была потеряна 23 января 2003 года из-за потери электроэнергии в его радиопередатчике , когда зонд находился на расстоянии 12 миллиардов км (80 а.е .; 7,5 миллиардов миль ) от Земли.
В 1960-х годах американский аэрокосмический инженер Гэри Фландро из Лаборатории реактивного движения НАСА задумал миссию, известную как Планетарный Гранд-тур , в которой будет использоваться редкое расположение внешних планет Солнечной системы. Эта миссия в конечном итоге будет завершена в конце 1970-х годов с помощью двух зондов «Вояджер» , но для того, чтобы подготовиться к ней, НАСА решило в 1964 году провести эксперимент с запуском пары зондов во внешнюю часть Солнечной системы . [7] Правозащитная группа под названием «Группа по космосу» под председательством американского ученого-космонавта Джеймса А. Ван Аллена разработала научное обоснование исследования внешних планет. [8] [9] Центр космических полетов имени Годдарда НАСА подготовил предложение о паре «зондов Галактического Юпитера», которые должны были пройти через пояс астероидов и посетить Юпитер. Они должны были быть запущены в 1972 и 1973 годах во время благоприятных периодов, которые случались всего несколько недель каждые 13 месяцев. Запуск в другие промежутки времени был бы более затратным с точки зрения потребности в топливе. [10]
Утвержденные НАСА в феврале 1969 года, [10] перед запуском космические корабли-близнецы получили обозначения Pioneer F и Pioneer G ; позже они были названы «Пионер 10» и «Пионер 11» соответственно. Они стали частью программы Pioneer [11] — серии беспилотных космических миссий США, запущенных в период с 1958 по 1978 год. Эта модель была первой в серии, предназначенной для исследования внешней части Солнечной системы. Согласно предложениям, выпущенным в 1960-е годы, первоначальными целями миссии было исследование межпланетной среды за орбитой Марса, изучение пояса астероидов и оценка возможной опасности для космических кораблей, проходящих через пояс, а также исследование Юпитера и его окружения. [12] Более поздние цели разработки включали в себя приближение зонда к Юпитеру для получения данных о влиянии окружающей среды вокруг Юпитера на приборы космического корабля.
Для миссий было предложено провести более 150 научных экспериментов. [13] Эксперименты, которые должны были быть проведены на космическом корабле, были выбраны в ходе серии плановых сессий в течение 1960-х годов, а затем были завершены к началу 1970 года . наблюдения Юпитера, обнаружение астероидов и метеороидов, определение состава заряженных частиц, измерение магнитных полей, плазмы, космических лучей и зодиакального света . [12] Наблюдение за связью космического корабля, проходящего за Юпитером, позволит измерить планетарную атмосферу, а данные отслеживания позволят улучшить оценку массы Юпитера и его спутников. [12]
Исследовательский центр Эймса НАСА , а не Годдарда, был выбран для управления проектом в рамках программы Pioneer. [10] Исследовательский центр Эймса под руководством Чарльза Ф. Холла был выбран из-за его предыдущего опыта работы с космическими аппаратами со стабилизированным вращением. Требования предусматривали создание небольшого и легкого космического корабля, который был бы магнитно чистым и мог бы выполнять межпланетные миссии. Предполагалось использовать модули космического корабля, которые уже были проверены в миссиях «Пионер» с 6 по 9 . [12] Эймс заказал документальный фильм Джорджа Ван Валкенбурга под названием «Юпитер Одиссея». Он получил множество международных наград, и его можно увидеть на канале Ван Валкенбурга на YouTube.
В феврале 1970 года Эймс заключил с TRW Inc. общий контракт на сумму 380 миллионов долларов США на производство автомобилей Pioneer 10 и 11 , минуя обычный процесс торгов для экономии времени. Би Джей О'Брайен и Херб Лассен возглавляли команду TRW, которая собирала космический корабль. [14] На проектирование и постройку космического корабля потребовалось около 25 миллионов человеко-часов. [15] Инженер из TRW сказал: «Гарантия на этот космический корабль составляет два года межпланетного полета. Если какой-либо компонент выйдет из строя в течение этого гарантийного срока, просто верните космический корабль в наш магазин, и мы отремонтируем его бесплатно». [16]
Чтобы уложиться в график, первый запуск должен был состояться в период с 29 февраля по 17 марта, чтобы он мог прибыть к Юпитеру в ноябре 1974 года. Позже дата прибытия была изменена на декабрь 1973 года, чтобы избежать конфликтов с другими миссиями по поводу использование сети дальнего космоса для связи и пропустить период, когда Земля и Юпитер окажутся на противоположных сторонах Солнца. Траектория встречи «Пионера-10» была выбрана так, чтобы максимально получить информацию о радиационной обстановке вокруг Юпитера, даже если это приведет к повреждению некоторых систем. Он должен был приблизиться примерно в три раза больше радиуса планеты, которая, как считалось, была максимально близкой к ней и при этом пережить радиацию. Выбранная траектория обеспечит космическому кораблю хороший вид на освещенную солнцем сторону. [17]
Автобус Pioneer 10 имеет глубину 36 см (14 дюймов) и шесть панелей длиной 76 см (30 дюймов), образующих шестиугольную конструкцию. В автобусе находится топливо для управления ориентацией зонда и восемь из одиннадцати научных инструментов. Отсек оборудования был заключен в алюминиевую сотовую конструкцию, обеспечивающую защиту от метеоритов . Слой изоляции, состоящий из алюминизированного майлара и каптона , обеспечивает пассивный термоконтроль. Тепло генерировалось за счет рассеивания от 70 до 120 Вт (Вт) электрических компонентов внутри отсека. Поддержание теплового диапазона в рабочих пределах оборудования осуществлялось с помощью жалюзи, расположенных под монтажной площадкой. [18] Стартовая масса космического корабля составляла около 260 кг (570 фунтов). [6] : 42
При запуске космический корабль нес 36 килограммов (79 фунтов) жидкого гидразинового монотоплива в сферическом резервуаре диаметром 42 сантиметра (17 дюймов). [18] Ориентация космического корабля поддерживается шестью гидразиновыми двигателями 4,5 Н , [19] установленными в трех парах. Первая пара поддерживала постоянную скорость вращения 4,8 об/мин , вторая пара контролировала тягу вперед, а третья пара контролировала положение. Пара положений использовалась в маневрах конического сканирования для отслеживания Земли на ее орбите. [20] Информация об ориентации также предоставлялась звездным датчиком , способным ориентироваться на Канопус , и двумя датчиками Солнца . [21]
«Пионер-10» использует четыре радиоизотопных термоэлектрических генератора (РТГ) SNAP-19 . Они расположены на двух трехстержневых фермах, каждая длиной 3 метра (9,8 фута) и разнесенных на 120 градусов. Ожидалось, что это будет безопасное расстояние от чувствительных научных экспериментов, проводимых на борту. В совокупности РИТЭГи обеспечивали мощность 155 Вт при запуске и снижались до 140 Вт при переходе к Юпитеру. Для питания всех систем космическому кораблю требовалось 100 Вт. [6] : 44–45 Генераторы питаются от радиоизотопного топлива плутоний-238 , помещенного в многослойную капсулу, защищенную графитовым тепловым экраном. [22]
Перед запуском SNAP-19 требовалось обеспечить питание в течение двух лет в космосе; во время миссии этот показатель был значительно превышен. [23] Период полураспада плутония-238 составляет 87,74 года, так что через 29 лет радиация, генерируемая РИТЭГами, составляла 80% от ее интенсивности при запуске. Однако постоянное ухудшение состояния спаев термопар привело к более быстрому снижению выработки электроэнергии, и к 2001 году общая выходная мощность составила 65 Вт. В результате на более поздних этапах миссии одновременно могли работать только избранные инструменты. [18]
Космический зонд включает в себя резервную систему приемопередатчиков , один из которых прикреплен к узколучевой антенне с высоким коэффициентом усиления , другой — к всенаправленной антенне и антенне со средним коэффициентом усиления. Параболическая антенна с высоким коэффициентом усиления имеет диаметр 2,74 метра (9,0 футов) и изготовлена из алюминиевого сотового многослойного материала. Космический корабль вращался вокруг оси, параллельной оси этой антенны, так что он мог оставаться ориентированным на Землю. [18] Каждый приемопередатчик имеет мощность 8 Вт и передает данные в S-диапазоне, используя частоту 2110 МГц для восходящей линии связи с Землей и 2292 МГц для нисходящей линии связи с Землей, при этом сеть дальнего космоса отслеживает сигнал. Данные, подлежащие передаче, проходят через сверточный кодер , так что большинство ошибок связи может быть исправлено приемным оборудованием на Земле. [6] : 43 Скорость передачи данных при запуске составляла 256 бит/с, причем за каждый день миссии скорость снижалась примерно на 1,27 миллибит/с. [18]
Большая часть вычислений миссии выполняется на Земле и передается на космический корабль, где он смог сохранить в памяти до пяти команд из 222 возможных ввода наземных диспетчеров. Космический корабль включает в себя два декодера команд и блок распределения команд, очень ограниченную форму процессора, для управления операциями на космическом корабле. Эта система требует, чтобы операторы миссии готовили команды задолго до их передачи на зонд. В комплект входит блок хранения данных для записи до 6144 байт информации, собранной приборами. Блок цифровой телеметрии используется для подготовки собранных данных в одном из тринадцати возможных форматов перед передачей их обратно на Землю. [6] : 38
«Пионер-10» был запущен 3 марта 1972 года в 01:49:00 UTC (20:49 по восточному стандартному времени 2 марта) Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства с космодрома 36А во Флориде на борту ракеты-носителя «Атлас-Кентавр» . транспортное средство. Третья ступень состояла из твердотопливной ступени «Звезда-37Э» (ТЭ-М-364-4), разработанной специально для миссий «Пионер». Эта ступень обеспечивала тягу около 15 000 фунтов (6 800 кг) и раскручивала космический корабль. [36] Начальная скорость вращения космического корабля составляла 30 об/мин. Через двадцать минут после запуска три стрелы аппарата были выдвинуты, что снизило скорость вращения до 4,8 об/мин. Этот темп сохранялся на протяжении всего рейса. Ракета-носитель разгоняла зонд в течение чистого интервала 17 минут, достигнув скорости 51 682 км/ч (32 114 миль в час). [37]
После того, как антенна с высоким коэффициентом усиления была подключена, несколько инструментов были активированы для тестирования, пока космический корабль двигался через радиационные пояса Земли. Через девяносто минут после запуска космический корабль достиг межпланетного пространства. [37] «Пионер-10» пролетел мимо Луны за 11 часов [38] и стал на тот момент самым быстрым искусственным объектом. [39] Через два дня после запуска были включены научные инструменты, начиная с телескопа космических лучей. Через десять дней все инструменты были активны. [38]
За первые семь месяцев путешествия космический корабль 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 в этот период был отказ датчика Канопуса, который вместо этого требовал от космического корабля поддерживать свою ориентацию с помощью двух датчиков Солнца. [37]
Проходя через межпланетную среду , «Пионер-10» стал первой миссией, обнаружившей межпланетные атомы гелия. Он также наблюдал высокоэнергетические ионы алюминия и натрия в солнечном ветре . Космический корабль записал важные гелиофизические данные в начале августа 1972 года, зарегистрировав солнечную ударную волну , когда она находилась на расстоянии 2,2 а.е. (330 миллионов км; 200 миллионов миль). [40] 15 июля 1972 года «Пионер-10» первым вошел в пояс астероидов, [41] расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Планировщики проекта ожидали безопасного прохождения через пояс, а наименьшая траектория, по которой космический корабль мог бы привести к любому из известных астероидов, составляла 8,8 миллиона километров (5,5 миллиона миль). Одно из ближайших сближений было к астероиду 307 Nike 2 декабря 1972 года. [42]
Бортовые эксперименты продемонстрировали дефицит частиц размером менее микрометра (мкм) в поясе по сравнению с окрестностями Земли. Плотность частиц пыли размером от 10 до 100 мкм существенно не менялась за время пути от Земли до внешнего края пояса. Лишь для частиц диаметром от 100 мкм до 1,0 мм плотность увеличилась в три раза в районе пояса. В поясе не обнаружено фрагментов размером более миллиметра, что указывает на то, что они, вероятно, редки; конечно, гораздо реже, чем ожидалось. Поскольку космический корабль не столкнулся ни с какими частицами значительного размера, он благополучно прошел через пояс и вынырнул на другую сторону примерно 15 февраля 1973 года. [43] [44]
6 ноября 1973 года космический корабль «Пионер-10» находился на расстоянии 25 миллионов км (16 миллионов миль) от Юпитера. Начались испытания системы визуализации, и данные были успешно получены обратно в сеть дальнего космоса. Затем на космический корабль была загружена серия из 16 000 команд для управления операциями облета в течение следующих шестидесяти дней. Орбита внешней луны Синопа была пересечена 8 ноября. Головная ударная волна магнитосферы Юпитера была достигнута 16 ноября, о чем свидетельствует падение скорости солнечного ветра с 451 км/с (280 миль/с) до 225 км/с. км/с (140 миль/с). Магнитопауза была пройдена через день. Приборы космического корабля подтвердили, что магнитное поле Юпитера инвертировано по сравнению с магнитным полем Земли. К 29 числа орбиты всех крайних лун были пройдены, и космический корабль работал безупречно. [45]
Красные и синие изображения Юпитера создавались фотополяриметром, когда вращение космического корабля переносило поле зрения прибора за пределы планеты. Эти красный и синий цвета были объединены для создания синтетического зеленого изображения, что позволило создать визуализированное изображение с помощью трехцветной комбинации. 26 ноября на Землю было получено в общей сложности двенадцать таких изображений. Ко 2 декабря качество изображения превзошло лучшие снимки, сделанные с Земли. На Земле они отображались в режиме реального времени, и программа «Пионер» позже получила премию «Эмми» за эту презентацию для средств массовой информации. Движение космического корабля привело к геометрическим искажениям, которые позже пришлось исправлять с помощью компьютерной обработки. [45] В ходе встречи было передано в общей сложности более 500 изображений. [46]
Траектория космического корабля проходила вдоль магнитного экватора Юпитера, где было сосредоточено ионное излучение . [47] Пиковый поток этого электронного излучения в 10 000 раз сильнее, чем максимальное излучение вокруг Земли. [48] Начиная с 3 декабря, радиация вокруг Юпитера стала причиной подачи ложных команд. Большинство из них было исправлено командами на случай непредвиденных обстоятельств, но изображение Ио и несколько крупных планов Юпитера были потеряны. Подобные ложные команды будут генерироваться и на выходе с планеты. [45] Тем не менее, «Пионеру-10» удалось получить изображения спутников Ганимеда и Европы . Изображение Ганимеда показало особенности низкого альбедо в центре и вблизи южного полюса, тогда как северный полюс казался ярче. Европа находилась слишком далеко, чтобы получить детальное изображение, хотя некоторые особенности альбедо были очевидны. [49]
Траектория «Пионера-10» была выбрана таким образом, чтобы он находился позади Ио, что позволило измерить преломляющий эффект лунной атмосферы на радиопередачи. Это продемонстрировало, что ионосфера Луны находилась на высоте около 700 километров (430 миль) над поверхностью дневной стороны, а плотность колебалась 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 находилась на орбите внутри водородного облака, протяженность которого составляла около 805 000 километров (500 000 миль), а ширина и высота составляли 402 000 километров (250 000 миль). Считалось, что облако меньшего размера, длиной 110 000 километров (68 000 миль), было обнаружено недалеко от Европы. [49]
Лишь после того, как «Пионер-10» покинул пояс астероидов, НАСА выбрало траекторию к Юпитеру, обеспечивающую эффект рогатки, которая отправит космический корабль за пределы Солнечной системы. «Пионер-10» был первым космическим кораблем, предпринявшим такой маневр, и стал доказательством концепции последующих миссий. Такой расширенной миссии не было в первоначальном предложении, но она планировалась до запуска. [50]
При самом близком сближении скорость космического корабля достигала 132 000 км/ч (82 000 миль в час; 37 000 м/с) [51] и он находился на расстоянии 132 252 километров (82 178 миль) от внешней атмосферы Юпитера. Были получены изображения Большого Красного Пятна и терминатора крупным планом. Связь с космическим кораблем прервалась, когда он прошел за планетой. [47] Данные радиозатмения позволили измерить температурную структуру внешней атмосферы, показав температурную инверсию между высотами с давлением 10 и 100 мбар . Температуры на уровне 10 мбар варьировались от -133 до -113 ° C (от 140 до 160 К ; от -207 до -171 ° F ), а температуры на уровне 100 мбар составляли от -183 до -163 ° C (от 90,1 до 110,1 ° F). К; от -297,4 до -261,4 °F). [52] Космический корабль создал инфракрасную карту планеты, которая подтвердила идею о том, что планета излучает больше тепла, чем получает от Солнца. [53]
Изображения планеты в форме полумесяца затем были возвращены, когда «Пионер-10» удалился от планеты. [54] Когда космический корабль направился наружу, он снова миновал головную ударную волну магнитосферы Юпитера. Поскольку этот фронт постоянно смещается в пространстве из-за динамического взаимодействия с солнечным ветром, аппарат пересек головную ударную волну в общей сложности 17 раз, прежде чем полностью покинул ее. [55]
«Пионер-10» пересек орбиту Сатурна в 1976 году и орбиту Урана в 1979 году. [56] 13 июня 1983 года корабль пересек орбиту Нептуна , на тот момент самой дальней планеты, и таким образом стал первым искусственным объектом. покинуть близость больших планет Солнечной системы. Миссия официально завершилась 31 марта 1997 года, когда она достигла расстояния 67 а.е. (10,0 миллиардов км; 6,2 миллиарда миль) от Солнца, хотя космический корабль все еще мог передавать последовательные данные после этой даты. [18]
После 31 марта 1997 года слабый сигнал «Пионера-10 » продолжал отслеживаться сетью Deep Space Network, чтобы помочь в обучении диспетчеров полета процессу приема радиосигналов из дальнего космоса. Было проведено исследование Advanced Concepts , в котором теория хаоса применялась для извлечения последовательных данных из замирающего сигнала. [57]
Последний успешный прием телеметрии был получен от «Пионера-10» 27 апреля 2002 г.; последующие сигналы были едва достаточно сильными, чтобы их можно было обнаружить, и не давали никаких полезных данных. Последний, очень слабый сигнал от «Пионера-10» был получен 23 января 2003 года, когда он находился на расстоянии 12 миллиардов км (80 а.е.; 7,5 миллиардов миль) от Земли. [58] Дальнейшие попытки связаться с космическим кораблем не увенчались успехом. Последняя попытка была предпринята вечером 4 марта 2006 г., когда антенна в последний раз была правильно выровнена по отношению к Земле. Никакого ответа от Pioneer 10 получено не было . [59] НАСА решило, что мощность блоков РИТЭГ, вероятно, упала ниже порога мощности, необходимого для работы передатчика. Поэтому дальнейших попыток контакта предпринято не было. [60]
18 июля 2023 года «Вояджер-2» обогнал «Пионер-10» , сделав «Пионер-10» третьим по дальности от Солнца космическим кораблем после «Вояджера-1» и «Вояджера-2» . [68] [69] Солнечному свету требуется 18,7 часов, чтобы достичь «Пионера-10» . Яркость Солнца с космического корабля составляет −16,1. [70] «Пионер-10» в настоящее время движется в направлении созвездия Тельца . [70]
Если их не потревожать, «Пионер-10» и его родственный корабль «Пионер-11» присоединятся к двум космическим кораблям «Вояджер» и космическому кораблю «Новые горизонты » и покинут Солнечную систему, чтобы путешествовать по межзвездной среде . Ожидается, что траектория " Пионера -10" пройдет в общем направлении к звезде Альдебаран , которая в настоящее время находится на расстоянии около 68 световых лет . Если бы Альдебаран имел нулевую относительную скорость , космическому кораблю потребовалось бы более двух миллионов лет, чтобы достичь его. [18] [70] Задолго до этого, примерно через 90 000 лет, «Пионер-10» пройдет на расстоянии около 0,23 парсека (0,75 светового года ) от поздней звезды K-типа HIP 117795 . [71] Это самый близкий пролет звезд за следующие несколько миллионов лет среди всех космических кораблей «Пионер », «Вояджер » и «Новые горизонты» , покидающих Солнечную систему.
Резервный аппарат, Pioneer H , в настоящее время выставлен в галерее «Вехи полета» Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия. [72] Многие элементы миссии оказались решающими при планировании программы «Вояджер». [73]
Поскольку это было решительно поддержано Карлом Саганом , [14] «Пионер-10» и «Пионер-11» несут табличку из анодированного золотом алюминия размером 152 на 229 мм (6,0 на 9,0 дюймов) на случай, если какой-либо космический корабль когда-либо будет обнаружен разумными формами жизни с другой планетарной системы. . На мемориальных досках изображены обнаженные фигуры мужчины и женщины, а также несколько символов, которые призваны предоставить информацию о происхождении космического корабля. [74] Табличка прикреплена к опорным стойкам антенны, где она будет защищена от межзвездной пыли. [75]
В фильме «Звездный путь V: Последний рубеж » клингонская хищная птица уничтожает «Пионер-10» в качестве мишени. [76]
В сериализованном фантастическом мультимедийном повествовании 17776 одним из главных героев является разумный Пионер 10 .
