Pioneer 10 (первоначально названный Pioneer F ) — космический зонд НАСА, запущенный в 1972 году и выполнивший первую миссию к планете Юпитер . [6] Pioneer 10 стал первым из пяти планетарных зондов и 11 искусственных объектов , достигших скорости убегания, необходимой для выхода за пределы Солнечной системы . Этот проект по исследованию космоса был реализован Исследовательским центром Эймса НАСА в Калифорнии. Космический зонд был изготовлен компанией TRW Inc.
Pioneer 10 был собран вокруг гексагональной шины с параболической тарелкой диаметром 2,74 метра (9 футов 0 дюймов) с высоким коэффициентом усиления , а космический аппарат был стабилизирован вращением вокруг оси антенны. Его электропитание обеспечивалось четырьмя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами , которые обеспечивали общую мощность 155 Вт при запуске.
Он был запущен 3 марта 1972 года в 01:49:00 UTC (2 марта по местному времени) ракетой Atlas-Centaur с мыса Канаверал , Флорида . В период 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 на расстоянии 25 миллионов километров (16 миллионов миль ), и было передано около 500 изображений. Ближайшее сближение с планетой произошло 3 декабря 1973 года на расстоянии 132 252 километров (82 178 миль). Во время миссии бортовые приборы 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 электропитания его радиопередатчика , 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 Planetary Grand Tour , которая использовала бы редкое выравнивание внешних планет Солнечной системы. Эта миссия в конечном итоге была бы выполнена в конце 1970-х годов двумя зондами Voyager , но для того, чтобы подготовиться к ней, НАСА решила в 1964 году провести эксперимент с запуском пары зондов во внешнюю часть Солнечной системы . [7] Группа сторонников, названная Outer Space Panel и возглавляемая американским ученым-космонавтом Джеймсом А. Ван Алленом , разработала научное обоснование для исследования внешних планет. [8] [9] Центр космических полетов имени Годдарда НАСА составил предложение о паре «Galactic Jupiter Probes», которые должны были пройти через пояс астероидов и посетить Юпитер. Они должны были быть запущены в 1972 и 1973 годах во время благоприятных окон, которые случались всего несколько недель каждые 13 месяцев. Запуск в другие временные интервалы был бы более затратным с точки зрения требований к топливу. [10]
Одобренные НАСА в феврале 1969 года, [10] космические аппараты-близнецы были обозначены как Pioneer F и Pioneer G перед запуском; позже они были названы Pioneer 10 и Pioneer 11 соответственно. Они были частью программы Pioneer [11] — серии беспилотных космических миссий США, запущенных в период с 1958 по 1978 год. Эта модель была первой в серии, разработанной для исследования внешней части Солнечной системы. На основе предложений, выпущенных в течение 1960-х годов, первоначальными целями миссии были исследование межпланетной среды за орбитой Марса, изучение пояса астероидов и оценка возможной опасности для космических аппаратов, проходящих через пояс, а также исследование Юпитера и его окружающей среды. [6] Более поздние цели стадии разработки включали в себя зонд, приближающийся к Юпитеру, чтобы предоставить данные о влиянии окружающей радиации вокруг Юпитера на приборы космического корабля.
Для миссий было предложено более 150 научных экспериментов. [12] Эксперименты, которые должны были быть проведены на космическом корабле, были выбраны в ходе серии сессий планирования в 1960-х годах, а затем окончательно утверждены к началу 1970-х годов. Они должны были выполнить визуализацию и поляриметрию Юпитера и нескольких его спутников, провести инфракрасные и ультрафиолетовые наблюдения Юпитера, обнаружить астероиды и метеороиды, определить состав заряженных частиц и измерить магнитные поля, плазму, космические лучи и зодиакальный свет . [6] Наблюдение за коммуникациями космического корабля, когда он проходил позади Юпитера, позволило бы измерить планетарную атмосферу, в то время как данные слежения улучшили бы оценки массы Юпитера и его лун. [6]
Исследовательский центр Эймса NASA , а не Годдард, 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 стабилизацией вращения. Требования требовали небольшого, легкого космического аппарата, который был бы магнитно чистым и мог бы выполнять межпланетную миссию. Он должен был использовать модули космического корабля, которые уже были проверены в миссиях Pioneer 6–9 . [6] Эймс заказал документальный фильм Джорджу Ван Валкенбургу под названием « Одиссея Юпитера» . Он получил многочисленные международные награды и его можно увидеть на канале Ван Валкенбурга на YouTube.
В феврале 1970 года Эймс заключил с TRW Inc. контракт на общую сумму 380 миллионов долларов США на строительство обоих аппаратов Pioneer 10 и 11 , обойдя обычный процесс торгов, чтобы сэкономить время. Б. Дж. О'Брайен и Херб Лассен возглавляли команду TRW, которая собирала космический корабль. [13] Проектирование и строительство космического корабля потребовало приблизительно 25 миллионов человеко-часов. [14] Инженер из TRW пошутил: «Этот космический корабль имеет гарантию на два года межпланетного полета. Если какой-либо компонент выйдет из строя в течение этого гарантийного срока, просто верните космический корабль в нашу мастерскую, и мы отремонтируем его бесплатно». [15]
Чтобы уложиться в график, первый запуск должен был состояться между 29 февраля и 17 марта, чтобы он мог прибыть к Юпитеру в ноябре 1974 года. Позднее эта дата была изменена на декабрь 1973 года, чтобы избежать конфликтов с другими миссиями по использованию Deep Space Network для связи и пропустить период, когда Земля и Юпитер будут находиться по разные стороны от Солнца. Траектория встречи для Pioneer 10 была выбрана для максимизации возвращаемой информации о радиационной обстановке вокруг Юпитера, даже если это приведет к повреждению некоторых систем. Он должен был пройти в пределах примерно трех радиусов планеты, что, как считалось, было ближайшим расстоянием, к которому он мог приблизиться и все еще пережить радиацию. Выбранная траектория дала бы космическому кораблю хороший обзор солнечной стороны. [16]
Автобус Pioneer 10 имеет глубину 36 сантиметров (14 дюймов) и шесть панелей длиной 76 сантиметров (30 дюймов), образующих шестиугольную структуру. Автобус вмещает топливо для управления ориентацией зонда и восемь из одиннадцати научных приборов. Отсек оборудования находится в алюминиевой сотовой структуре для обеспечения защиты от метеороидов . Слой изоляции, состоящий из алюминизированных майларовых и каптоновых одеял, обеспечивает пассивный термоконтроль. Тепло вырабатывалось путем рассеивания от 70 до 120 ватт (Вт) от электрических компонентов внутри отсека. Диапазон нагрева поддерживался в пределах рабочих пределов оборудования с помощью жалюзи, расположенных под монтажной платформой. [3] Космический корабль имел стартовую массу около 260 килограммов (570 фунтов). [6] : 42
При запуске космический корабль нес 36 килограммов (79 фунтов) жидкого гидразинового монотоплива в сферическом баке диаметром 42 сантиметра (17 дюймов). [3] Ориентация космического корабля поддерживается шестью 4,5 Н [17] гидразиновыми двигателями, установленными тремя парами. Первая пара поддерживала постоянную скорость вращения 4,8 об/мин , вторая пара управляла прямой тягой, а третья пара управляла ориентацией. Пара ориентации использовалась в конических сканирующих маневрах для отслеживания Земли на ее орбите. [18] Информация об ориентации также предоставлялась звездным датчиком, способным ссылаться на Канопус , и двумя датчиками Солнца . [19]
Pioneer 10 использует четыре радиоизотопных термоэлектрических генератора (РИТЭГ) SNAP-19 . Они расположены на двух трехстержневых фермах, каждая длиной 3 метра (9,8 фута) и на расстоянии 120 градусов друг от друга. Ожидалось, что это будет безопасное расстояние от чувствительных научных экспериментов, проводимых на борту. Вместе РИТЭГи обеспечивали 155 Вт при запуске и снизились до 140 Вт при переходе к Юпитеру. Космическому кораблю требовалось 100 Вт для питания всех систем. [6] : 44–45 Генераторы питаются от радиоизотопного топлива плутоний-238 , которое размещено в многослойной капсуле, защищенной графитовым теплозащитным экраном. [20]
Предварительное требование к SNAP-19 состояло в том, чтобы обеспечить электроэнергией два года в космосе; это было значительно превышено во время миссии. [21] Период полураспада плутония-238 составляет 87,74 года, так что через 29 лет излучение, генерируемое РИТЭГами, достигло 80% от своей 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 позднем этапе миссии одновременно могли работать только некоторые приборы. [3]
Космический зонд включает в себя избыточную систему приемопередатчиков , один из которых прикреплен к узконаправленной антенне с высоким коэффициентом усиления , а другой — к всенаправленной антенне и антенне со средним коэффициентом усиления. Параболическая тарелка для антенны с высоким коэффициентом усиления имеет диаметр 2,74 метра (9,0 футов) и изготовлена из алюминиевого сотового сэндвич-материала. Космический аппарат вращался вокруг оси, параллельной оси этой антенны, чтобы он мог оставаться ориентированным на Землю. [3] Каждый приемопередатчик имеет мощность 8 Вт и передает данные по S-диапазону, используя 2110 МГц для восходящей линии связи с Земли и 2292 МГц для нисходящей линии связи на Землю, при этом Deep Space Network отслеживает сигнал. Передаваемые данные проходят через сверточный кодер , чтобы большинство ошибок связи могли быть исправлены приемным оборудованием на Земле. [6] : 43 Скорость передачи данных при запуске составляла 256 бит/с, при этом скорость снижалась примерно на 1,27 миллибит/с каждый день в течение миссии. [3]
Большая часть вычислений для миссии выполняется на Земле и передается на космический корабль, где он может сохранять в памяти до пяти команд из 222 возможных записей наземными контроллерами. 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 передачи их на зонд. Включен 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
Pioneer 10 был запущен 3 марта 1972 года в 01:49:00 UTC (20:49 по восточному поясному времени 2 марта) Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства с космодрома 36A во Флориде на борту ракеты Atlas-Centaur . Третья ступень одноразового корабля состояла из твердотопливной ступени Star-37E (TE-M-364-4), разработанной специально для миссий Pioneer. Эта ступень обеспечивала около 15 000 фунтов (6800 кг) тяги и раскручивала космический корабль. [34] Космический корабль имел начальную скорость вращения 30 об/мин. Через двадцать минут после запуска три стрелы корабля были выдвинуты, что замедлило скорость вращения до 4,8 об/мин. Эта скорость поддерживалась на протяжении всего полета. Ракета-носитель разгоняла зонд в течение чистого интервала в 17 минут, достигнув скорости 51 682 км/ч (32 114 миль/ч). [35]
После того, как антенна с высоким коэффициентом усиления была установлена, несколько приборов были активированы для тестирования, пока космический корабль двигался через радиационные пояса Земли. Через девяносто минут после запуска космический корабль достиг межпланетного пространства. [35] Пионер-10 пролетел мимо Луны за 11 часов [36] и стал самым быстрым искусственным объектом на тот момент. [37] Через два дня после запуска были включены научные приборы, начиная с телескопа космических лучей. Через десять дней все приборы были активированы. [36]
В течение первых семи месяцев путешествия космический корабль сделал три коррекции курса. Бортовые приборы прошли проверку, фотометры исследовали Юпитер и зодиакальный свет , а экспериментальные пакеты использовались для измерения космических лучей, магнитных полей и солнечного ветра. Единственной аномалией в течение этого интервала был отказ датчика Canopus, который вместо этого потребовал, чтобы космический корабль поддерживал свою ориентацию с помощью двух солнечных датчиков. [35]
Проходя через межпланетную среду , Pioneer 10 стал первой миссией, которая обнаружила межпланетные атомы гелия. Он также наблюдал высокоэнергетические ионы алюминия и натрия в солнечном ветре . Космический аппарат записал важные гелиофизические данные в начале августа 1972 года, зарегистрировав солнечную ударную волну , когда он находился на расстоянии 2,2 а.е. (330 миллионов км; 200 миллионов миль). [38] 15 июля 1972 года Pioneer 10 стал первым космическим аппаратом, вошедшим в пояс астероидов, [4] расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Планировщики проекта ожидали безопасного прохода через пояс, и ближайшая траектория, которая приведет космический аппарат к любому из известных астероидов, составляла 8,8 миллионов километров (5,5 миллионов миль). Одним из ближайших сближений был астероид 307 Nike 2 декабря 1972 года . [39]
Эксперименты на борту 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 во время путешествия от Земли до внешнего края пояса. Только для частиц диаметром от 100 мкм до 1,0 мм плотность увеличилась в три раза в районе пояса. В поясе не было обнаружено фрагментов размером более миллиметра, что указывает на то, что они, вероятно, редки; определенно гораздо менее распространены, чем предполагалось. Поскольку космический аппарат не столкнулся ни с какими частицами существенного размера, он благополучно прошел через пояс, появившись с другой стороны около 15 февраля 1973 года. [40] [41]
6 ноября 1973 года космический аппарат Pioneer 10 находился на расстоянии 25 миллионов км (16 миллионов миль) от Юпитера. Началось тестирование системы визуализации, и данные были успешно получены обратно в Deep Space Network. Затем на космический аппарат была загружена серия из 16 000 команд для управления операциями пролета в течение следующих шестидесяти дней. Орбита внешней луны Синопа была пересечена 8 ноября . Головная ударная волна магнитосферы Юпитера была достигнута 16 ноября, на что указывало падение скорости солнечного ветра с 451 км/с (280 миль/с) до 225 км/с (140 миль/с). Магнитопауза была пройдена днем позже. Приборы космического аппарата подтвердили, что магнитное поле Юпитера было инвертировано по сравнению с полем Земли. К 29-му числу были пройдены орбиты всех самых внешних лун, и космический аппарат работал безупречно. [42]
Красные и синие изображения Юпитера были получены с помощью фотополяриметра, когда вращение космического корабля переносило поле зрения инструмента мимо планеты. Эти красные и синие цвета были объединены для создания синтетического зеленого изображения, что позволило трехцветной комбинации создать визуализированное изображение. 26 ноября на Земле было получено в общей сложности двенадцать таких изображений. К 2 декабря качество изображения превзошло лучшие изображения, сделанные с Земли. Они отображались в реальном времени на Земле, и программа Pioneer позже получила премию Эмми за эту презентацию для СМИ. Движение космического корабля создавало геометрические искажения, которые позже пришлось исправлять с помощью компьютерной обработки. [42] Во время встречи было передано в общей сложности более 500 изображений. [43]
Траектория космического корабля проходила вдоль магнитного экватора Юпитера, где концентрировалось ионное излучение . [44] Пиковый поток этого электронного излучения в 10 000 раз сильнее максимального излучения вокруг Земли. [45] Пионер-10 прошел через внутренние радиационные пояса в пределах 20 R J , получив интегральную дозу 200 000 рад от электронов и 56 000 рад от протонов (для сравнения, доза облучения всего тела в 500 рад смертельна для человека). [46] Уровень радиации на Юпитере был в десять раз мощнее, чем предсказывали конструкторы Пионера, что привело к опасениям, что зонд не выживет. Начиная с 3 декабря, излучение вокруг Юпитера вызвало генерацию ложных команд. Большинство из них были исправлены аварийными командами, но изображение Ио и несколько крупных планов Юпитера были утеряны. Похожие ложные команды будут генерироваться на пути от планеты. [42] Тем не менее, Pioneer 10 удалось получить изображения лун Ганимеда и Европы . Изображение Ганимеда показало низкие характеристики альбедо в центре и около южного полюса, в то время как северный полюс выглядел ярче. Европа была слишком далеко, чтобы получить детальное изображение, хотя некоторые характеристики альбедо были очевидны. [47]
Траектория Pioneer 10 была выбрана так, чтобы он находился позади Ио, что позволило измерить рефракционный эффект атмосферы луны на радиопередачах. Это показало, что ионосфера луны находилась примерно в 700 километрах (430 миль) над поверхностью дневной стороны, а плотность варьировалась 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, которое простиралось примерно на 805 000 километров (500 000 миль), с шириной и высотой 402 000 километров (250 000 миль). Считалось, что меньшее облако размером 110 000 километров (68 000 миль) было обнаружено около Европы. [47]
Только после того, как Pioneer 10 пролетел над поясом астероидов, NASA выбрало траекторию к Юпитеру, которая включала эффект рогатки, чтобы отправить космический корабль из Солнечной системы. Pioneer 10 был первым космическим аппаратом, который попытался совершить такой маневр, модель для будущих миссий. Такая расширенная миссия не была в первоначальном предложении, но была запланирована до запуска. [48]
При самом близком сближении скорость космического корабля достигла 132 000 км/ч (82 000 миль/ч; 37 000 м/с), [49] и он оказался в пределах 132 252 километров (82 178 миль) от внешней атмосферы Юпитера. Были получены крупные планы Большого Красного Пятна и терминатора. Затем связь с космическим кораблем прекратилась, когда он прошел позади планеты. [44] 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 K ; от −207 до −171 °F ), в то время как температуры на уровне 100 мбар составляли от −183 до −163 °C (от 90,1 до 110,1 K; от −297,4 до −261,4 °F). [50] Космический аппарат создал инфракрасную карту планеты, которая подтвердила идею о том, что планета излучает больше тепла, чем получает от Солнца. [51]
Затем полумесяцы с изображениями планеты были возвращены, когда Pioneer 10 удалялся от планеты. [52] Когда космический аппарат направился наружу, он снова прошел через ударную волну магнитосферы Юпитера. Поскольку этот фронт постоянно смещается в пространстве из-за динамического взаимодействия с солнечным ветром, аппарат пересек ударную волну в общей сложности 17 раз, прежде чем полностью покинул ее. [53]
Pioneer 10 пересёк орбиту Сатурна в 1976 году и орбиту Урана в 1979 году. [54] 13 июня 1983 года аппарат пересёк орбиту Нептуна и стал первым рукотворным объектом, покинувшим окрестности основных планет Солнечной системы. Миссия официально завершилась 31 марта 1997 года, когда она достигла расстояния в 67 а.е. (10,0 млрд км; 6,2 млрд миль) от Солнца, хотя космический аппарат всё ещё мог передавать когерентные данные после этой даты. [3]
После 31 марта 1997 года слабый сигнал Pioneer 10 продолжал отслеживаться Deep Space Network, чтобы помочь в обучении диспетчеров полетов в процессе получения радиосигналов из дальнего космоса. Было исследование Advanced Concepts, применяющее теорию хаоса для извлечения когерентных данных из затухающего сигнала. [55]
Последний успешный прием телеметрии был получен от Pioneer 10 27 апреля 2002 года; последующие сигналы были едва достаточно сильными для обнаружения и не предоставили никаких полезных данных. Последний, очень слабый сигнал от Pioneer 10 был получен 23 января 2003 года, когда он находился в 12 миллиардах км (80 а.е.; 7,5 миллиарда миль) от Земли. [56] Дальнейшие попытки связаться с космическим аппаратом оказались безуспешными. Последняя попытка была предпринята вечером 4 марта 2006 года, в последний раз, когда антенна была правильно выровнена с Землей. Никакого ответа от Pioneer 10 получено не было . [57] NASA решило, что блоки RTG, вероятно, упали ниже порога мощности, необходимого для работы передатчика. Поэтому дальнейших попыток связаться не было. [58]
18 июля 2023 года Voyager 2 обогнал Pioneer 10 , сделав Pioneer 10 третьим по удаленности от Солнца космическим аппаратом после Voyager 1 и Voyager 2. [ 63] [64] По состоянию на июнь 2024 года зонд, по оценкам, находился на расстоянии 137,3 а. е. (20,5 млрд км ; 12,8 млрд миль ) от Земли и 136,3 а. е. (20,4 млрд км ; 12,7 млрд миль ) от Солнца. [65] Солнечному свету требуется 18,9 часов, чтобы достичь Pioneer 10. Яркость Солнца от космического аппарата составляет звездную величину -16,0. [65] Pioneer 10 в настоящее время движется в направлении созвездия Тельца . [65]
Если их не трогать, Pioneer 10 и его сестринский корабль Pioneer 11 присоединятся к двум космическим аппаратам Voyager и New Horizons , покидающим Солнечную систему, чтобы странствовать в межзвездной среде . Ожидается, что траектория Pioneer 10 будет направлена в сторону звезды Альдебаран , которая в настоящее время находится на расстоянии около 68 световых лет . Если бы у Альдебарана была нулевая относительная скорость , космическому аппарату потребовалось бы более двух миллионов лет, чтобы достичь ее. [3] [65] Задолго до этого, примерно через 90 000 лет, Pioneer 10 пройдет примерно в 0,23 парсека (0,75 световых лет ) от поздней звезды K-типа HIP 117795. [ 66] Это самый близкий звездный пролет за следующие несколько миллионов лет из всех космических аппаратов Pioneer , Voyager и New Horizons , которые покидают Солнечную систему.
Резервный модуль, Pioneer H , в настоящее время экспонируется в галерее «Вехи полета» в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия [67]. Многие элементы миссии оказались критически важными при планировании программы «Вояджер». [68]
Поскольку Карл Саган настоятельно рекомендовал [13] , Пионер-10 и Пионер-11 несут на себе пластину из анодированного золотом алюминия размером 152 на 229 мм (6,0 на 9,0 дюймов) на случай, если какой-либо из космических аппаратов будет когда-либо обнаружен разумными формами жизни из другой планетной системы. На пластинах изображены обнаженные фигуры мужчины и женщины, а также несколько символов, которые предназначены для предоставления информации о происхождении космического аппарата. [69] Табличка прикреплена к стойкам поддержки антенны, где она будет защищена от межзвездной пыли. [70]
В фильме «Звездный путь V: Последний рубеж » клингонская хищная птица уничтожает «Пионер-10» в качестве учебной мишени. [71]
В сериализованном научно-фантастическом мультимедийном повествовании 17776 одним из главных героев является разумный Пионер 10 .
.jpg/1280px-Pioneer_10_image_of_Jupiter_(image_A5).jpg)
