«Піонер-10» (, на початку мав назву Pioneer F) — запущена в 1972 році автоматична міжпланетна станція НАСА, яка здійснила перший в історії політ до Юпітера. Перший апарат, який розігнався до третьої космічної швидкості, пролетів повз Юпітер і сфотографував його. Його близнюк «Піонер-11» досліджував також Сатурн. Кількома роками пізніше, виконавши різні наукові завдання, вони полишили межі Сонячної системиДослідження космосу. Виявлення будь-якого життя. Цей проєкт із дослідження космосу був реалізований Дослідницьким центром Еймса в Каліфорнії. Космічний зонд виготовила компанія .
«Піонер-10» став першим із п'яти штучних об'єктів, які досягли швидкості, необхідної для виходу із Сонячної системи. Він був зібраний навколо шестикутної платформи з високочутливою параболічною діаметром 2,74 м. навколо осі антени. Електроенергію постачали чотири радіоізотопні термоелектричні генератори (рітеги), які на момент запуску забезпечували сумарну потужність 155 Вт.
«Піонер-10» був запущений 3 березня 1972 року о 01:49:00 UTC (2 березня за місцевим часом) ракетою «Атлас-Центавр» з космодрому на мисі Канаверал у Флориді. З 15 липня 1972 року по 15 лютого 1973 року він був першим космічним апаратом, який перетнув пояс астероїдів. 6 листопада 1973 року апарат почав фотографувати Юпітер з відстані 25 млн км і передав близько 500 його зображень. На мінімальну відстань до Юпітера «Піонер-10» наблизився 3 грудня 1973 року — 132 252 км. Під час польоту бортові прилади використовувалися для дослідження поясу астероїдів, навколишнього середовища Юпітера, сонячного вітру, космічних променів, а згодом — віддалених областей Сонячної системи та геліосфери.
Радіозв'язок із «Піонером-10» було втрачено 23 січня 2003 року через відмову електроживлення радіопередавача. На той момент зонд перебував на відстані 12 млрд км (80 а. о.) від Землі.
Передумови розробки місії
Історія У 1960-х роках американський аерокосмічний інженер з Лабораторії реактивного руху НАСА задумав місію, у рамках якої космічний корабель, використовуючи рідкісне розташування зовнішніх планет Сонячної системи, яке відбувається лише раз на 175 років, міг відвідати їх усіhttp://www.gravityassist.com/IAF3-2/Ref.%203-143.pdf. Пізніше цей план отримав назву «Велика подорож».
Урешті-решт ця місія була реалізована в кінці 1970-х років двома зондами «Вояджер», але щоб підготуватися до неї і набути досвід міжпланетних польотів, НАСА в 1964 році вирішило здійснити експеримент: запустити пару зондів до зовнішньої частини Сонячної системи. Група вчених — прихильників цієї ідеї (Outer Space Panel) під керівництвом американського вченого Джеймса ван Аллена розробила наукове обґрунтування для дослідження зовнішніх планет. Центр космічних польотів імені Ґоддарда підготував пропозицію щодо запуску пари «галактичних юпітеріанських зондів», які мали пройти через пояс астероїдів і відвідати Юпітер. Їх запуски були заплановані на 1972 і 1973 роки, під час сприятливих вікон, які відкривалися лише на кілька тижнів кожні 13 місяців. Запуск в інші періоди був би більш витратним з погляду витрат палива.
Два космічні апарати, польоти яки НАСА затвердило в лютому 1969 року, перед запуском отримали назви «Піонер F» і «Піонер G»; пізніше їх перейменували на «Піонер-10» і «Піонер-11» відповідно. Вони були частиною програми «Піонер» — низки безпілотних космічних місій США, запущених у 1958—1978 роках. «Піонери» -10 і -11" були першими апаратами, розробленими для дослідження зовнішніх частин Сонячної системи. Відповідно до пропозицій, висунутих протягом 1960-х років, їхніми початковими цілями були дослідження міжпланетного середовища поза орбітою Марса, вивчення поясу астероїдів і оцінка можливої небезпеки для космічних апаратів, які пролітають скрізь цей пояс, а також дослідження Юпітера та його оточення. На пізніших стадіях до цілей польотів додали наближення зонда до Юпітера для отримання даних про вплив навколишнього випромінювання на прилади космічного апарата.
Для місій було запропоновано понад 150 наукових експериментів. Експерименти, які мали бути проведені на космічному апараті, були відібрані в серії планових засідань у 1960-х роках, а потім остаточно затверджені на початку 1970 року. Вони мали на меті отримати зображення й дані поляриметрії Юпітера та кількох його супутників, провести спостереження Юпітера в інфрачервоному й ультрафіолетовому діапазонах, виявити астероїди та метеороїди, визначити склад заряджених частинок, а також отримати дані про магнітні поля, плазму, космічні промені та зодіакальне світло. Спостереження за зв'язком космічного апарата під час його проходження за Юпітером дало б змогу здійснити вимірювання його атмосфери, а дані стеження поліпшили б оцінки маси Юпітера та його супутників.
Для управління проєктом у рамках програми «Піонер» було обрано не Центр космічних польотів імені Ґоддарда, а Дослідницький центр Еймса НАСА: його вчені під керівництвом Чарльза Голла (Charles Hall) уже мали досвід роботи з космічними апаратами зі стабілізацією обертання. Вимоги програми передбачали створення невеликого легкого космічного апарата, який був би магнітно чистим і був би здатен виконувати міжпланетні місії. Передбачалося використання модулів космічних апаратів, уже перевірених у місіях «Піонерів» -6…-9.
Дослідницький центр Еймса замовив документальний фільм Джорджа ван Валкенбурга (George van Valkenburg) під назвою «Одіссея Юпітера». Фільм отримав численні міжнародні нагороди і доступний на YouTube-каналі ван Валкенбурга.
У лютому 1970 року Дослідницький центр Еймса уклав із компанією контракт на суму 380 млн дол. США на будівництво обох космічних апаратів, «Піонер-10» і «Піонер-11», оминувши звичайну процедуру тендеру, щоб заощадити час. Команду TRW, яка збирала космічний апарат, очолили Б. Дж. О'Брайен (B. J. O'Brien) і Герб Лассен (Herb Lassen). Проєктування й будівництво космічного апарата потребували приблизно 25 мільйонів людиногодин. Один з інженерів TRW жартома сказав:Цей космічний апарат гарантовано пропрацює два роки в міжпланетному польоті. Якщо який-небудь його компонент вийде з ладу протягом цього гарантійного терміну, просто поверніть нам космічний апарат — і ми відремонтуємо його безкоштовно.Щоб вкластися в запланований термін, перший запуск мав відбутися між 29 лютого і 17 березня, щоб апарат міг дістатися Юпітера в листопаді 1974 року. Пізніше дату прибуття було змінено на грудень 1973 року, щоб уникнути конфліктів з іншими місіями у використанні Мережі далекого космічного зв'язку НАСА (Deep Space Network), а також щоб уникнути періоду, коли Земля і Юпітер перебуватимуть по різні боки від Сонця. Траєкторію зближення «Піонера-10» обрали так, щоб отримати якнайбільше інформації про радіаційне середовище навколо Юпітера, навіть якщо це спричинило б пошкодження деяких систем. Космічний апарат мав наблизитися до Юпітера на відстань приблизно втричі більше її радіуса — вважалося, що це мінімальна відстань від планети, на якій апарат був здатен витримати її радіацію. Обрана траєкторія забезпечувала космічному апарату хороший огляд сонячної сторони планети.
Конструкція космічного апарата Ширина корпуса «Піонера-10» становила 36 см. Шість панелей довжиною 76 см утворювали конструкцію шестикутної форми. У корпусі розміщено паливо для керування орієнтацією апарата та 8 з 11 наукових приладів. Відділення з обладнанням розташовувалося всередині алюмінієвої гексагональної конструкції для захисту від мікрометеоритів. Пасивне регулювання теплового балансу забезпечувалося шаром ізоляції, що складалася з алюмінізованого майлару та ковдр. Тепло утворювалося внаслідок розсіювання 70—120 Вт енергії від електричних компонентів всередині відділення. Діапазон температур підтримувався в межах робочих меж обладнання за допомогою жалюзі, розташованих під монтажною платформою. Початкова маса космічного апарата становила близько 260 кг, з них 30 кг припадало на наукові прилади.
Під момент запуску «Піонер-10» мав на борту 36 кг рідкого гідразину, який перебував у сферичному баку діаметром 42 см. Просторова орієнтація космічного апарата підтримувалася шістьма гідразиновими двигунами тягою 4,5 Н, установленими трьома парами: перша пара підтримувала постійну швидкість обертання 4,8 об/хв, друга — контролювала поступальний рух, а третя — положення. Третя пара використовувалася в маневрах для відстеження положення Землі на її орбіті. Інформація про орієнтацію також надходила від зоряного датчика, здатного орієнтуватися на Канопус, та двох https://atmos.nmsu.edu/data_and_services/atmospheres_data/SATURN/logs/nasa-sp-446-Pioneer-First-to-Jupiter-Saturn-and-Beyond.pdf.
Електроенергія та зв'язок
«Піонер-10» був обладнаний чотирма радіоізотопними термоелектричними генераторами (рітегами) SNAP-19. Вони кріпилися на двох триштангових фермах, розташованих під кутом 120° одна до одної, кожна довжиною 3 м. За розрахунками, така відстань давала змогу безпечно проводити на борту чутливі наукові експерименти. На момент запуску рітеги разом забезпечували 155 Вт енергії, а під час прольоту повз Юпітера потужність знизилася до 140 Вт. Космічний апарат потребував 100 Вт для живлення всіх своїх систем. Генератори працювали на плутонії-238 — радіоізотопному паливі, розміщеному в багатошаровій капсулі, захищеній графітовим тепловим екраном.
Проєктна вимога до функціональності SNAP-19 передбачала забезпечення апарата енергією протягом двох років у космосі; на практиці вона була значно перевищена. Плутоній-238 має період напіврозпаду 87,74 року, тому через 29 років енергія, яку генерував рітег, становила 80 % від її рівня на момент запуску. Однак неперервне погіршення стану термоелектричних з'єднань призвело до пришвидшення зниження генерації енергії, і станом на 2001 рік загальна потужність становила 65 Вт. З огляду на це на пізніх етапах місії одночасно могли працювати лише деякі прилади.
Космічний зонд обладнаний резервною системою приймально-передавальних пристроїв, один із яких прикріплений до з високим коефіцієнтом посилення, а інший — до всенаправленої антени та антени із середнім коефіцієнтом посилення. Параболічна тарілка для антени з високим коефіцієнтом посилення має діаметр 2,74 м і виготовлена з алюмінієвого матеріалу типу «сендвіч». Космічний апарат обертався навколо осі, паралельної осі цієї антени, і завдяки цьому залишатися орієнтованим у бік Землі. Кожен приймач-передавач мав потужність 8 Вт і передавав дані в S-діапазоні на частотах 2110 МГц (від Землі) і 2292 МГц (на Землю), а сигнал відстежували за допомогою Мережі далекого космічного зв'язку НАСА. Дані, що передаються, проходили через згортковий кодер: це давало змогу приймальному обладнанню на Землі виправляти більшість помилок зв'язку. На момент запуску швидкість передавання даних становила 256 біт/с; щодня протягом місії вона зменшувалася приблизно на 1,27 мілібіт/с.
Більшу частину обчислень для місії виконували на Землі, після чого відправляли на космічний апарат. Він був здатний зберігати в пам'яті до п'яти команд із 222 записів, що надійшли від диспетчерів на Землі. Роботою космічного апарата керували два декодери команд і блок розподілу команд (примітивний процесор). Ця система вимагала, щоб оператори місії готували команди задовго до їх передавання на апарат. Для запису інформації, зібраної приладами (до 6144 байт), було передбачено блок зберігання даних. Підготовка зібраних даних до передавання на Землю здійснювалася за допомогою цифрового блока телеметрії; передавання було можливе в одному з 13 форматів.
Наукові інструменти Гелієвий векторний магніторметр (HVM)Вимірював тонку структуру міжпланетного магнітного поля, склав карту магнітного поля Юпітера та надав дані вимірювання магнітного поля для оцінки взаємодії сонячного вітру з Юпітером. Магнітометр складався з гелієвої камери, установленій на 6,6-метровій стрілі з метою частково ізолювати прилад від магнітного поля космічного апаратаhttps://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/experiment/display.action?id=1972-012A-01.
Головний дослідник: Едвард Сміт (Edward Smith) / Лабораторія реактивного руху (JPL)