Pioneer 4 (myös Pioneer IV) oli maaliskuussa 1959 laukaistu Pioneer-ohjelman viides ja Yhdysvaltain Operaatio Monan viides ja viimeinen miehittämätön kuuluotain. Luotain oli Jet Propulsion Laboratoryn valmistama, Nasan laukaisema ja siitä oli vastuussa Yhdysvaltain maavoimien Army Ballistic Missile Agency. Pioneer 4 lensi Kuun ohi ja suuntasi aurinkokeskeiselle kiertoradalle. Lento oli nimeltään Juno IIA-Prime, jonka kuuluotain Pioneer 4 oli. Kyseessä oli Yhdysvaltojen ensimmäinen luotain, joka karkasi Maan painovoimasta. Se oli myös Yhdysvaltojen ensimmäinen avaruusluotain, joka teki Kuun ohilennon. Pioneer 4:n oli tarkoitus saavuttaa nämä tavoitteet ensimmäisenä maailmassa, mutta Neuvostoliiton Luna 1 -luotain ehti siinä ensin.
Tausta vasen|pienois|pysty|William Pickering, Jet Propulsion Laboratoryn entinen johtaja.
Neuvostoliiton Sputnik 1:stä tuli 4. lokakuuta 1957 ensimmäinen Maata kiertävä satelliitti. Kolme viikkoa sen jälkeen Jet Propulsion Laboratoryn (JPL) johtaja William Pickering esitti muutaman JPL:n työntekijän kanssa ehdotuksen, jossa Yhdysvallat vastaisi Neuvostoliiton saavutukseen lähettämällä Jet Propulsion Laboratoryn kehittämän avaruusluotaimen Kuuhun. Ehdotuksen nimi oli Project Red Socks. Siinä todettiin, että Yhdysvaltojen oli ”välttämätöntä palauttaa asemansa maailman silmissä tuottamalla merkittävää teknologista edistymistä Neuvostoliittoon nähden” avaruustoiminnassa. Pickering halusi ehdotukselleen Yhdysvaltain puolustusministeriön hyväksyvän, että JPL aloittaisi välittömästi yhdeksän rakettilennon sarjan Kuuhun.
Kuuluotainhanke ei edennyt puolustusministeriössä ennen vuoden 1958 alkua, jolloin Yhdysvaltain puolustusministerin Neil McElroyn 7. helmikuuta 1958 perustaman Yhdysvaltain avaruushankkeista vastaavan Advanced Research Projects Agencyn johtaja Roy Johnson halusi ”voittaa Neuvostoliiton kaikin mahdollisin tavoin”. Koska Neuvostoliitto ei ollut vielä laukaissut rakettia Kuuhun, miehittämätön kuuohjelma vaikutti lupaavimmalta keinolta ”voittaa venäläiset” avaruuskilvassa.
Neil McElroy ilmoitti 27. maaliskuuta 1958 Yhdysvaltojen laukaisevan viisi kuuluotainta osana kansainvälistä geofysiikan vuotta. Hanke oli nimeltään Operaatio Mona. Kolme ensimmäistä luotainta toteuttaisi Yhdysvaltain ilmavoimat ja kaksi myöhempää Yhdysvaltain maavoimat Wernher von Braunin johdolla. Nasa otti lokakuussa 1958 Advanced Research Projects Agencyltä hallintoonsa kuuluotaimet eli Pioneer-ohjelman.
Yhdysvaltain maavoimien Army Ballistic Missile Agency teki 2. toukokuuta 1958 virallisen sopimuksen JPL:n kanssa neljän kuuluotaimen kehittämisestä ja valmistamisesta. Kaksi kuulentoa laukaistaisiin nimillä Juno IIA (laukaisi Pioneer 3 -luotaimen) ja Juno IIA-Prime (laukaisi Pioneer 4 -luotaimen). JPL oli myös vastuussa luotainten paikannusjärjestelmästä sekä laukaisualuksen ylemmistä vaiheista.
Koska Pioneer 3 paloi Maan ilmakehässä eikä päässyt lähelle Kuuta, Pioneer 3:n varakappaleita (sarjanumerot 3 ja 4) muutettiin ja valmisteltiin siten, että toinen niistä voitaisiin laukaista seuraavalla, Juno IIA-Prime -kuulennolla. Myöskin sarjanumero 3 olisi laukaistu samalla lennolla, mutta viime hetken testauksissa ilmenneiden ongelmien vuoksi vain sarjanumero 4 laukaistiin ja sai lopulta nimekseen Pioneer 4.
Matka pienoiskuva|Pioneer 4:n laukaisu kuvattuna Nasan komentokeskuksessa.|vasen Laukaisu pienoiskuva|pysty|Pioneer 4:n laukaisu Pioneer 4 -luotain laukaistiin 3. maaliskuuta 1959 kello 5.10 Floridasta, Cape Canaveral Air Force Stationin Launch Complex 5:stä UTC. Laukaisu tapahtui nelivaiheisella Juno II -raketilla, jolla laukaistiin myös Pioneer 3. Luotain sijaitsi raketin neljännen vaiheen kärjessä. Neljä ja puoli minuuttia myöhemmin Maan pakonopeus oli ylitetty.
Ensimmäinen vaihe nosti kantoraketin 113 kilometrin korkeuteen ja saavutti 16 093 km/h:n nopeuden. Viisi sekuntia ensimmäisen vaiheen polttoaineen loppumisen jälkeen ensimmäinen vaihe irrotettiin kantoraketista, minkä jälkeen pienet apumoottorit veivät sen poispäin kantoraketista. 13 sekuntia ensimmäisen vaiheen irrotuksen jälkeen Juno II:n nokkakartio irrotettiin raketista.
Kantoraketin toisen vaiheen rakettimoottorit eivät sammuneet odotetusti, minkä seurauksena lennon atsimuutti ja nousukulma muuttuivat.
Muutama tunti laukaisusta Jet Propulsion Laboratoryn tietokoneet ilmoittivat luotaimen lentoradan olevan suunnitelmien mukainen. 3. maaliskuuta kello 21.05 UTC luotain oli 104 000 kilometrin päässä Maasta.
Kuun ohilento ja virran loppuminen vasen|pienoiskuva|Pioneer 4:n lentoreitti 4. maaliskuuta kello 10.24 UTC: 41 tunnin jälkeen laukaisusta luotain kulki matalimmillaan Kuun pinnasta. Luotaimen oli suunniteltu kulkevan 32 000 kilometrin korkeudessa Kuun pinnasta, mutta se kulki 58 983 kilometrin korkeudessa. Luotain matkasi Kuun ohi noin 7 226 kilometriä tunnissa. Tämän takia luotaimen valosähköinen sensori ei käynnistynyt, joka oli luotaimen yksi päätavoitteista.
5. maaliskuuta kello 12.34 UTC luotain oli matkannut 487 000 kilometrin päähän Maasta ja samana päivänä kello 21.18 UTC se oli 545 000 kilometrin päässä.
6. maaliskuuta 82 tunnin ja 4 minuutin jälkeen laukaisusta 652 000 kilometrin päässä Maasta Pioneer 4:n signaalivoimakkuus alkoi odotetusti nopeasti heikentyä. Pian sen jälkeen luotaimen paristoista loppui virta ja luotain lakkasi lähettämästä dataa 658 222 kilometrin päästä Maasta. Se oli tuolloin kauimmainen ihmisen tekemän esineen seurantaetäisyys. Lennon insinöörit uskoivat, että Pioneer 4:ää olisi voinut paikantaa 1,1 miljoonan kilometrin etäisyydeltä Maasta, jos luotaimen akut eivät olisi tyhjentyneet.pienoiskuva|Englanninkielinen uutisfilmi Pioneer 4:stä.Luotaimen oli suunniteltu olevan ensimmäinen luotain, joka lentäisi Kuun ohi, mutta Neuvostoliiton Luna 1 saavutti tavoitteen useita viikkoja ennen Pioneer 4:ää. Pioneer 4:stä tuli ensimmäinen yhdysvaltalainen luotain, joka karkasi Maan painovoimasta. Sen oli tarkoitus olla ensimmäinen maailmassa, mutta Luna 1 saavutti tavoitteen ennen Pioneer 4:ää.
Pioneer-ohjelman kaikki edelliset luotaimet olivat tuhoutuneet ennen Kuun läheisyyteen pääsyä.
Aurinkokeskeinen kiertorata Kuun ohilennon jälkeen luotain jatkoi matkaansa aurinkokeskeiselle kiertoradalle.
17. maaliskuuta 1959 luotain oli 2 574 950 kilometrin päässä Maasta. +Pioneer 4:n aurinkokeskeisen kiertorata numeroinaKiertoradan kestoInklinaatioEksentrisyysEpookkiLähde398 päivää29,9°0,071093.3.1959 klo 17.11.00 Toimimaton luotain havaittiin vuonna 1969 aurinkokeskeisellä kiertoradalla.
Laukaisualus pienoiskuva|Juno II laukaisualustalla|vasen pienoiskuva|Juno II:n ylemmät vaiheet: kuvassa näkyy toinen vaihe ja sen 11 rakettimoottoria. Pioneer 4 laukaistiin muokatulla nelivaiheisella Juno II -kantoraketilla. Lento oli Juno II:n lentonumero AM-14.
Ensimmäinen vaihe Kantoraketin ensimmäinen vaihe oli Yhdysvaltain asevoimien muokattu polttoaineenaan RP-1:tä ja nestehappea käyttävä IRBM-ohjus. Se poltti 283,9 litraa polttoainetta sekunnissa. Ensimmäistä vaihetta pidennettiin 0,92 metriä, jolloin raketin pituudeksi tuli 16,84 metriä. Muokkauksen seurauksena ensimmäisen vaiheen Rocketdyne S3D -rakettimoottorin polttoaika pidentyi 20 sekunnista 182 sekuntiin.
Ylemmät vaiheet Juno II:n toisella vaiheella oli yhteensä 11 JPL:n rakettimoottoria. Moottorit oli aseteltu kehän muotoon. Kolmas vaihe koostui kolmesta kehän muotoon asetetusta rakettimoottorista. Kolmas vaihe syttyi yhdeksän sekuntia toisen vaiheen syttymisen jälkeen. Neljäs vaihe koostui yhdestä rakettimoottorista. Neljännen vaiheen kärjessä sijaitsi Pioneer 4.
Juno II:n lasikuitupinnoitetusta alumiinista valmistettu nokkakartio peitti Pioneer 4:n ja laukaisualuksen ylemmät vaiheet.
Tehtävät Luotaimen tehtäviä olivat:
mitata säteilyä Van Allenin vyöhykkeen uloimmilla alueilla. testata luotaimen valosähköisen sensorin mekanismin toimivuutta.
Rakenne vasen|pienoiskuva|pysty|Pioneer 4:n kopio kartio sekä pohja irroitettuna toisistaan. Kartion alapuolella näkyy elohopeaparistotpienoiskuva|Kaavio Pioneer 4:stä Luotaimen rakenne oli samanlainen kuin edeltäjänsä Pioneer 3:n. Ainoat erot olivat paranneltu telemetriajärjestelmä ja toisen Geiger–Müller-putken päälle asennettu lisäsuoja.
Pioneer 4 oli kartion muotoinen: pituudeltaan 51 cm sekä halkaisijaltaan 23 cm pitkä. Kartion päällä oli ohut lasikuitusuoja. Se oli päällystetty kullalla tehden luotaimesta sähköä johtavan. Lasikuitusuoja oli maalattu valkoiseksi lämpötilan pitämiseksi 10–50 celsiusasteessa. Muuten luotaimen paristot olisivat lakanneet toimimasta.
Kartion päädyssä oli pieni anturi, joka yhdessä kartion kanssa toimi antennina.
Luotain sai virtansa 18 elohopeaparistoista, jotka olivat kartion pohjassa kehän muotoon aseteltuina.
Kartion keskellä oli muun muassa 500 grammaa painava UHF-lähetin. Se lähetti 0,1 watin vaihemoduloidun signaalin 960,05 MHz taajuudella.
Luotaimella oli mukana valosähköinen sensori. Se oli varustettu kahdella valokennolla, jotka laukeaisivat Kuun valon osuessa kennoihin. Tämä ei koskaan toteutunut, koska luotain oli liian kaukana Kuusta. Sensori oli näkyvillä paristojen keskellä, luotaimen pohjassa. Sensorin lauetessa luotaimen kamera olisi käynnistynyt ottaen kuvan Kuusta, mutta JPL vaihtoi kameran kahteen Geiger–Müller-putkeen, jotta luotain pystyisi keräämään tietoa Maan ja Kuun välisestä säteilystä. JPL säilytti valosähköisen sensorin luotaimessa, jotta sen toimivuutta voitaisiin testata.
Mukana oli myös mekanismi, joka koostui kahdesta painosta, jotka kelautuivat kahden 150 cm langan päähän, kun ne laukaistiin ajastimella kymmenen tunnin jälkeen laukaisusta. Painot oli suunniteltu hidastamaan luotaimen pyörimistä, joka teki luotaimesta stabilisoidun. Mekanismi hidasti Pioneer 4:n pyörimisnopeutta 400 kierroksesta minuutissa 6 kierrokseen minuutissa. Luotain painoi 6,08 kilogrammaa.
Vaikka JPL valmisti luotaimen, monet tutkimusryhmät ja teolliset alihankkijat vaikuttivat projektin onnistumiseen toimittamalla edistyksellisiä komponentteja, polttoainetta sekä ohjaus- ja seurantalaitteita. pienoiskuva|Pioneer 4 kahdessa osassa: vasemmalla elohopeaparistot ja oikealla luotain. Kuvassa oikealta vasemalle on: Wernher von Braun, hyötykuormainsinööri John Casani ja James Van Allen.
Tutkimuslaitteisto Kaksi Geiger–Müller-putkea Anton 302- ja Anton 213 -tyypin Geiger–Müller-putkia käytettiin Maan ympärillä olevan säteilyn tutkimiseen. Mittarit sijaitsivat luotaimen sisällä, sen keskiosassa. Ne oli asennettu ohuen lasikuituisen kotelon sisään mittalaitteiden suojaamiseksi sekä niiden mittausalueen maksimoimiseksi. Toinen eroista Pioneer 4:n ja -3:n välillä oli, että Pioneer 4:ään oli asennettu lisäsuoja Anton 213 -tyypin Geiger–Müller-putkeen. Geiger–Müller-putket olivat Iowan osavaltionyliopiston sekä Jet Propulsion Laboratoryn vastuulla.
Tieteellinen anti Pioneer 4 havaitsi Van Allenin ylemmän vyöhykkeen voimakkuuden muuttuneen Pioneer 3:n mittausten jälkeen, mikä johtui luultavasti vastikään tapahtuneesta auringonpurkauksesta. Luotain myös antoi viitteitä, että Van Allenin vyöhykkeellä saattaisi olla kolmas vyöhyke.
Paikannusjärjestelmä Jet Propulsion Laboratory oli vastuussa Pioneer 4:n paikannusjärjestelmästä. JPL:n aikaisempaa Microlock-järjestelmää oli käytetty Explorer -satelliittien paikannukseen, mutta Microlock-järjestelmän kantama ei riittänyt kuuluotainten vaadituille etäisyyksille Maasta, joten JPL:n täytyi suunnitella uusi paikannusjärjestelmä Pioneer-luotaimille. JPL:n uuden paikannusjärjestelmän nimeksi tuli Tracking And Communication (Extraterrestial) (lyh. TRAC(E)). Se toimi 960,05 MHz:n taajuudella.pienoiskuva|226x226px|Kuva DSS 11:stä 20. lokakuuta 1958. vasen|pienoiskuva|Pioneer 3:n ja 4:n tiedonkäsittelykeskus Kalifornian Pasadenassa