Pioneer 10

Ajalugu

1960. aastatel pakkus JPL-i insener Gary Flandro välja missiooni, mis sai nimeks "Grand Touri programm". Missiooni raames oleks NASA kasutanud ära haruldast planeetide joondumist, et planeete kosmosesondidega uurida. 1964. aastal otsustas NASA, et enne seda tuleb selle võimalikkust katsetada ja seetõttu saadetakse Päikesesüsteemi äärealasid uurima kaks kosmosesondi.
Missioon sai lõpliku heakskiidu veebruaris 1969 ning kosmosesse minevad sondid said nimeks Pioneer F ja Pioneer G, mis muudeti hiljem Pioneer 10-ks ja Pioneer 11-ks. Sondid olid osa Pioneeri programmist, mille raames saadeti aastatel 1958–1978 kosmosesse mitmeid kosmosesonde. Esialgu olid missiooni eesmärkideks Marsist kaugemal asuva planeetidevahelise ruumi uurimine, Asteroidide vöö uurimine ja selle ohutuse hindamine. Hiljem lisati eesmärkide hulka ka Jupiteri ja selle radiatsioonivööde uurimine, et teha kindlaks nende mõju kosmosesondi seadmetele.
Missioonidele pakuti üle 150 teaduskatse ja sondi pardale paigutatavad seadmed valiti mitmetel 1960ndatel toimunud planeerimisistungitel. Lõplik teadusseadmete nimekiri kinnitati 1970. aasta alguses. Missiooni valiti juhtima NASA Amesi uurimiskeskus, sest sel oli varasem kogemus kosmosesondidega, mis on pöörlemisega stabiliseeritud.
Veebruaris 1970 sai lepingu Pioneer 10 ja 11 sondide ehitamiseks TRW. Sondide hinnaks oli 380 miljonit dollarit ja NASA valis ehitaja hanget korraldamata, et säästa aega. TRW asus sonde projekteerima ja ehitama, ning graafiku kohaselt pidi Pioneer 10 startima vahemikus 29. veebruar kuni 17. märts 1972, et sond saabuks Jupiterile novembris 1974. Hiljem nihutati Jupiterile saabumise aeg detsembrisse 1973, et vältida konflikte teiste missioonidega, mis vajasid samuti Süvakosmose sidevõrku ja olukorda, kus Jupiter on sondi saabumisel Maa suhtes teisel pool Päikest.

Konstruktsioon

Pioneer 10 kere oli 36 cm sügav ja koosnes kuuest 76 sentimeetri pikkusest paneelist, mis moodustasid kuusnurga. Keresse oli paigutatud kütus, et sondi juhtida ja kaheksa teadusseadet üheteistkümnest. Teadusseadmed olid ümbritsetud eraldi alumiiniumist kaitsega. Sond kaalus 259 kg.
Stardi ajal oli kütusena sondi pardal 36 kg hüdrasiini. Sondi asendit juhiti kuue tõukuriga, mis olid jagatud kolmeks paariks ja igaüks neist tootis 4,5 N tõukejõudu. Esimene tõukuritepaar tagas, et sond pöörleb pidevalt kiirusega 4,8 p/m. Teine paar juhtis edasiliikumist ja kolmas paar juhtis asendit. Kolmandat paari kasutati ka Maa asukoha tuvastamise manöövritel. Sondi asukoha määramisel kasutati kaht päikesesensorit ja tähesensorit, mis jälgis Canopust.

Elekter

Pioneer 10 kasutas elektritootmiseks nelja SNAP-19 radioisotoopgeneraatorit (RTG-d), mis olid paigutatud kahe masti külge. Mastid olid 3 meetri pikkused ja üksteise suhtes 120-kraadise nurga all. RTG-d paigutati nii, et hoida need ohutul kaugusel tundlikest teadusseadmetest. Kombineerituna tootsid RTG-d stardi ajal 155 W ja Jupiteri juurde jõudmisel oli see kahanenud 140 vatini. Pioneer 10 vajas kõigi oma seadmete käigushoidmiseks 100 vatti energiat.
Enne starti seati tingimuseks, et RTG-d peavad suutma toota elektrit kaks aastat. See nõue ületati märkimisväärselt, sest tuumakütusena kasutatud plutoonium-238 poolestusaeg on 87 aastat ja seetõttu oli 29 aastat pärast starti eralduva radiatsiooni tase 80% stardiaegsest. Muude elektrisüsteemi osade kulumise tõttu oli elektritootlikkus 2001. aastaks vähenenud 65 vatini ja seetõttu sai kasutada ainult mõningaid teadusseadmeid.

Side

Sond oli sidepidamiseks varustatud transiiveritega, millest igaühe võimsus oli 8 vatti. Sidepidamiseks kasutati S-riba ja sond kasutas andmeedastusel sagedust 2292 MHz ja vastuvõtmisel 2110 MHz. Sondiga peeti ühendust Süvakosmose sidevõrgu kaudu ning sond kasutas enne andmete edastamist konvolutsioonkoodi, et võimaldada vigaste andmete korrigeerimist. Sidekiirus oli 256 bit/s ja see kahanes iga päev −1,27 millibitti/s.

Start ja trajektoor

Pioneer 10 startis 3. märtsil 1972, Cape Canaverali stardikompleksist 36. Stardil kasutati kanderaketti Atlas-Centaur ja raketi kolmas aste oli valmistatud spetsiaalselt Pioneeri missioonide jaoks, andes sondile kiirendust ja pani nad pöörlema. Pioneer 10 pöörles esialgu kiirusega 30 pööret minutis. 20 minutit pärast starti, avas sond RTG mastid ja see aeglustas sondi pöörlemise 4,8 pöördele minutis, mida sond säilitas kogu ülejäänud missiooni.
Pärast sondilt signaali saamist, lülitati tööle mitmed seadmed, et neid Maa radiatsioonivööde läbimise ajal testida. Pioneer ületas Kuu orbiidi 11 tundi pärast starti ja sellest sai tollal kiireim Maalt lahkunud kosmosesond. Kaks päeva pärast starti lülitati sisse teadusseadmed ja kõik seadmed olid töös kümme päeva pärast starti.
Missiooni esimese seitsme kuu jooksul korrigeeriti sondi kurssi kolm korda. Pioneer 10 pardal olnud seadmete töövalmidust kontrolliti ning teadusseadmed alustasid kosmilise kiirguse ja päikesetuule mõõtmist. Seadmete kontrollimisel selgus, et tähesensor ei tööta ja sond pidi oma asendi määramisel kasutama ainult päikesesensoreid.
Planeetidevahelise ruumi läbimisel sai Pioneer 10 esimeseks kosmosesondiks, mis tuvastas planeetidevahelises ruumis heeliumi aatomeid. Lisaks tuvastas sond päikesetuules alumiiniumi ja naatriumi ioone. Sond sisenes Asteroidide vöösse 15. juulil 1972. Missiooni planeerijad ennustasid, et sond läbib vöö ohutult ja lähim teadaolev asteroid jääb sondist 8,8 miljoni kilomeetri kaugusele. Sondi teadusseadmed tuvastasid, et vöös pole millimeetrist suuremaid osakesi ning sond läbis vöö tavapäraselt, jõudes teisele poole umbes 15. veebruaril 1973.

Möödumine Jupiterist

6. novembril 1973 alustati Jupiteri pildistamisega, kui sond oli planeedist veel 25 miljoni kilomeetri kaugusel. Järgmise 60 päeva jaoks laaditi sondi arvutisse 16 000 korraldust, et juhtida sondi tegevust Jupiterist möödumise ajal. Pioneer 10 ületas Jupiteri kuu, Sinope, orbiidi 8. novembril 1973 ja jõudis planeedi magnetvälja mõjualasse 16. novembril, kui mõõteseadmed tuvastasid päikesetuule kiiruse langemise kiiruselt 451 km/s 225 kilomeetrini sekundis.
2. detsembriks oli IPP teinud Jupiterist tolle aja kõige kvaliteetsemad fotod ning kokku saatis sond planeedist möödalennu ajal üle 500 foto. Kosmosesond läbis Jupiterist möödalennu ajal planeedi magnetilise ekvaatori, kuhu koondunud radiatsioon on 10000 korda suurem Maa kiirgusvööndis olevast radiatsioonist. 3. detsembril hakkas radioaktiivsuse tase tõusma ning arvuti hakkas seetõttu andma vigaseid käske, millest enamus suudeti avariikäskudega ära parandada. Radiatsiooni tõttu vaevaliselt töötava arvuti tõttu kaotati foto Io'st ja mõned lähivõtted Jupiterist, kuid säilisid fotod Ganymedesest ja Europast. Ganymedese fotol oli näha, et kuu ekvaatoril ja lõunapoolusel on pinnavormid madala albeedoga, samal ajal kui põhjapoolus paistis heledam. Europa oli detailseks pildistamiseks liiga kaugel, kuid piltidelt suudeti mõningaid pinnavorme siiski eristada.
Pioneer 10 trajektoor oli valitud nii, et see mööduks Io tagant, sest teadlased said sel ajal sondiga suheldes mõõta Io atmosfääri refraktsiooni. Mõõtmised näitasid, et Io ionosfäär ulatus Päikese valgustatud alal kuni 700 kilomeetri kõrgusele ja selle tihedus on 9000 – 60 000 elektroni kuupmeetril. Teadlastele oli ootamatu Pioneer 10 avastus, et Io tiirleb vesinikupilves, mis on mõõtmetega 805000 × 402000 km.
Möödumise ajal oli sondi lähim kaugus planeedist 132 252 km ning Pioneer 10 tegi lähifotod Suurest Punasest Laigust. Lisaks mõõtis sond planeedi atmosfääri temperatuuri ja rõhku. Mõõtmistel selgus, et vööndis kus õhurõhk on 10 mbari, on temperatuur −133 kuni −113 °C aga kui rõhk on 100 mbari, on temperatuur −183 kuni −163 °C. Pioneer 10 kaardistas Jupiteri ka infrapunas ja tõestas, et planeedist eraldub rohkem soojust, kui see Päikeselt saab.

Süvakosmos ja missiooni lõpp

Pioneer 10 ületas Saturni orbiidi 1976. aastal ja Uraani orbiidi 1979. aastal. 13. juunil 1983 ületas Pioneer 10, tollal Päikesesüsteemi kaugeimaks planeediks olnud Neptuuni orbiidi ja sellest sai esimene kosmosesond, mis on lahkunud hiidplaneetide juurest Päikesesüsteemi äärealadele. Ametlikult lõpetati missioon 31. märtsil 1997, kui see oli Päikesest 67 aü kaugusel ja edastas endiselt teavet. Pärast missiooni lõppu, kuulas Süvakosmose sidevõrk signaali edasi ja sondi kasutati uute lennujuhtide väljaõppel.
Viimane edukas sideseanss toimus 27. aprillil 2002. Pärast seda saadud signaalid on olnud vaevu tuvastatavad ega ole andnud kasulikku teavet. Viimane väga nõrk signaal saadi 23. jaanuaril 2003, kui sond oli 80 aü kaugusel Maast. Pärast seda pole sondist enam midagi kuuldud ning viimane katse sondiga ühendust võtta tehti 4. märtsil 2006, mil sondi antenn oli viimast korda suunatud Maale. Pioneer 10 Maa kutsungitele ei vastanud ja NASA järeldas, et ilmselt on sondi energiatootlikkus seadmete ja antenni käigushoidmiseks liiga väike ja rohkem pole sondiga ühendust saada proovitud.

Hetkeseis ja tulevik

Seisuga 1. jaanuar 2016 oli Pioneer 10 arvestuslikult 114,07 aü kaugusel Maast ja päikesevalgusel kulub sondi juurde jõudmiseks 14,7 tundi. Arvutuste kohaselt liigub sond Päikese suhtes kiirusega 12,04 km/s ja läbib 2,54 aü-d aastas. Voyager 2 peaks sondi läbitud vahemaa ületama aprillis 2019.
Kui ei juhtu midagi ootamatut, peaks Pioneer 10 jõudma koos teiste Päikesesüsteemist lahkuvate sondidega tähtedevahelisse ruumi. Pioneer 10 on teel Aldebarani suunas, mis on 68 valgusaasta kaugusel ja mille juurde jõudmiseks kulub sondil kaks miljonit aastat.