Il Pioneer 10 (originariamente designata come Pioneer F) è una sonda spaziale statunitense, avente massa di , che completò la prima missione verso Giove. In seguito divenne la prima sonda spaziale a superare la velocità di fuga dal sistema solare. La missione è stata sviluppata e diretta dall'Ames Research Center della NASA, mentre la TRW ha costruito il Pioneer 11, la sonda sua gemella.
La sonda è stata lanciata il 3 marzo 1972 da un Atlas-Centaur da Cape Canaveral in Florida. Tra il 15 luglio 1972 e il 15 febbraio 1973 è diventato il primo veicolo spaziale ad attraversare la fascia principale. Il 6 novembre 1973 cominciò a fotografare Giove da una distanza di 25 000 000 km e trasmise un totale di 500 immagini circa. Il massimo avvicinamento al pianeta avvenne il 4 dicembre 1973, a una distanza di 132.252 km. Durante la missione gli strumenti a bordo vennero usati per studiare la fascia degli asteroidi, l'ambiente gioviano, il vento solare, i raggi cosmici e, successivamente, i luoghi più lontani dell'eliosfera.
Le comunicazioni radio con la sonda sono state perse il 23 gennaio 2003 a causa del calo di potenza elettrica alla sua radio trasmittente quando l'oggetto si trovava ad una distanza di 80 UA (pari a 12 miliardi di km) dalla Terra, circa il doppio della distanza media Sole - Plutone.
Sviluppo
Negli anni sessanta l'ingegnere aerospaziale statunitense Gary Flandro del Jet Propulsion Laboratory concepì una missione, chiamata "Planetary Grand Tour" che, sfruttando un raro allineamento dei pianeti del sistema solare esterno, avrebbe permesso la loro esplorazione con un unico veicolo. Questa missione sarebbe stata compiuta alla fine degli anni settanta dalle sonde Voyager, ma per prepararle meglio al loro scopo la NASA decise nel 1964 di lanciare un paio di sonde sperimentali verso il sistema solare esterno. L'Outer Space Panel, presieduto da James Van Allen elaborò la logica scientifica per l'esplorazione dei pianeti esterni mentre il Goddard Space Flight Center sviluppò una proposta indicata come "Galactic Jupiter Probes", una coppia di sonde che, transitate per la fascia principale, avrebbero raggiunto Giove. Se lanciate nel 1972 e nel 1973 avrebbero potuto sfruttare delle finestre di lancio, aperte per poche settimane ogni 13 mesi, caratterizzate da delta-v particolarmente convenienti per raggiungere il pianeta.
La missione fu approvata dalla NASA nel febbraio del 1969 nell'ambito del Programma Pioneer, una serie di missioni spaziali statunitensi senza equipaggio lanciate tra il 1958 e il 1978. Le due sonde furono indicate come Pioneer F e G nella fase di sviluppo antecedente al lancio e successivamente Pioneer 10 e 11.
Le due sonde costituirono il primo modello di una serie pensata per esplorare il sistema solare esterno, basato su varie proposte analizzate durante gli anni sessanta. I primi obiettivi per la missione furono individuati nell'esplorazione del mezzo interplanetario oltre l'orbita di Marte, della fascia degli asteroidi valutando anche il pericolo di una collisione incorso dalle sonde che avessero tentato di attraversarla, di Giove e del suo sistema. In una fase di sviluppo successiva si cercò di tener conto delle esigenze che avrebbero permesso un sorvolo ravvicinato di Giove, avendo anche come obiettivo la valutazione degli effetti che le radiazioni presenti nell'ambiente attorno al pianeta avrebbero avuto sugli strumenti delle sonde.
Vennero proposti più di 150 esperimenti per la missione. La selezione di quelli che sarebbero stati condotti effettivamente dalle sonde avvenne in più fasi, con una serie di sessioni durante gli anni sessanta e la scelta finale avvenuta nei primi anni settanta. Le sonde avrebbero dovuto essere in grado di fotografare, anche polarimetricamente, Giove e i suoi satelliti; effettuare osservazioni nell'infrarosso e nell'ultravioletto, rilevare asteroidi e meteoroidi, determinare la composizione delle particelle cariche e misurare i campi magnetici, le proprietà del plasma e i raggi cosmici e rilevare la luce zodiacale durante la fase di operatività. Inoltre, accurate misurazioni dell'attenuazione dei segnali radio trasmessi dalla sonda mentre questa veniva ad essere occultata da Giove avrebbero potuto permettere di misurare alcune proprietà dell'atmosfera del pianeta, così come l'analisi dei dati telemetrici avrebbe potuto permettere di migliorare la stima della massa di Giove e delle sue lune.
Sebbene la proposta fosse stata avanzata dal Goddard Space Flight Center, fu l'Ames Research Center guidato da Charles F. Hall a essere incaricato della direzione del progetto, grazie alla maggiore esperienza con sonde stabilizzate a singolo-spin. Fu richiesta una sonda piccola e leggera, magneticamente pulita e capace di effettuare una missione interplanetaria. Sarebbero stati utilizzati moduli analoghi a quelli che avano già volato e dimostrato la loro resistenza a bordo delle sonde Pioneer 6, 7, 8 e 9.
Nel febbraio del 1970 l'Ames Research Center stipulò un contratto di 380 milioni di dollari con TRW per la costruzione delle sonde Pioneer F, G e dell'unità di riserva H, saltando il processo abituale di selezione dell'offerta più conveniente a causa dei tempi stretti. B. J. O'Brien e Herb Lassen guidarono la squadra che assemblò i veicoli. La progettazione e la costruzione della sonda richiese circa 25 milioni di ore di lavoro complessivo.
Per rispettare i programmi il primo lancio avrebbe dovuto aver luogo tra il 29 febbraio e il 17 marzo 1972 con arrivo su Giove nel novembre 1974. Questo fu poi anticipato al dicembre 1973 per non avere conflitti con altre missioni per l'utilizzo del Deep Space Network per le comunicazioni e per evitare il periodo in cui la Terra e Giove sarebbero stati in opposizione. La traiettoria del Pioneer 10 nell'attraversamento del sistema di Giove fu selezionata per massimizzare la raccolta di informazioni sulle radiazioni presenti nel sistema e sulla resistenza ad esse della sonda. A questo scopo il massimo avvicinamento al pianeta fu programmato ad una distanza di tre raggi gioviani. La traiettoria scelta avrebbe inoltre permesso al veicolo di osservare il lato di Giove illuminato dal Sole.
Disegno della sonda
Il corpo principale del Pioneer 10 aveva la forma di un prisma alto 36 centimetri, di base esagonale, avente lato di 76 centimetri. Ospitava il propellente per controllare l'orientamento della sonda e 8 degli 11 strumenti scientifici. L'equipaggiamento era protetto dai meteoriti tramite pannelli a sandwich con honeycomb in alluminio. Coperture di BoPET e kapton provvedevano al controllo termico passivo. Poiché i componenti elettrici nel compartimento generavano calore dissipando una potenza compresa tra 70 e 120 W, erano presenti anche degli schermi mobili (louvers) regolabili in base alle necessità.
La sonda aveva una massa al lancio di , di cui 36 di idrazina liquida monopropellente in un serbatoio sferico di di diametro. L'orientamento del veicolo era regolato attraverso 6 propulsori da , montati in 3 coppie. A una di esse era assegnato il compito di mantenere la sonda in rotazione attorno al proprio asse ad una velocità costante di 4,8 giri al minuto; un'altra direzionava il propulsore principale, mentre la terza regolava l'assetto. A quest'ultima era demandata il controllo della sonda nelle manovre di scansione conica per tracciare la Terra nella sua orbita. Le informazioni sulla navigazione erano ottenute da un sensore stellare capace di rilevare Canopo e da due sensori solari.
Sistema elettrico
Il Pioneer 10 era dotato di quattro generatori termoelettrici a radioisotopi SNAP-19, posizionati alle estremità di due bracci a tre aste, lunghi 3 metri e inclinati di 120° rispetto all'asta del magnetometro. Questo perché si riteneva che fosse una distanza sicura dai sensibili strumenti scientifici trasportati a bordo. Gli RTG fornivano complessivamente una potenza di al lancio, che si sarebbe ridotta a 140 W al momento del sorvolo di Giove. La potenza necessaria ad alimentare tutti i sistemi della sonda era di 100 W. I generatori erano alimentati da plutonio-238 (238Pu) racchiuso in una capsula a più strati protetta da una copertura di grafite.
Nella fase di sviluppo era stato richiesto che lo SNAP-19 fornisse energia per almeno due anni nello spazio, requisito largamente superato durante la missione. Il 238Pu ha un'emivita di 87,74 anni; dopo 29 anni quindi la radiazione generata dagli RTG sarebbe stata l'80% della sua intensità al lancio. Tuttavia a causa del deterioramento dei giunti delle termocoppie che convertono in energia elettrica il calore generato dal decadimento del 238Pu, la riduzione nell'energia fornita dai quattro dispositivi è stata molto più veloce e nel 2005 la potenza in uscita totale era di 65 W. Quando la potenza disponibile è scesa al di sotto della soglia dei 100 W si è operata una razionalizzazione nell'attivazione degli strumenti.
Sistema di comunicazione Il sistema di comunicazione della sonda presentava delle ridondanze e si componeva di un'antenna ad alto guadagno dal fascio quindi piuttosto stretto, di un'antenna omnidirezionale e di una a medio guadagno. Il piatto parabolico dell'antenna ad alto guadagno aveva 2,74 metri di diametro ed era realizzato in alluminio con struttura a sandwich a nido d'ape. La stabilizzazione a singolo-spin garantiva che fosse mantenuto il puntamento verso la Terra dell'antenna ad alto guadagno, il cui asse coincideva con quello di rotazione della sonda. Ogni trasmettitore assorbiva 8 W e trasmetteva dati in banda S a 2110 MHz in uplink dalla Terra e 2292 MHz nel downlink alla Terra attraverso il Deep Space Network. I dati erano codificati in modo convenzionale e la maggior parte degli errori di comunicazione poteva quindi essere corretta dall'attrezzatura di ricezione sulla Terra. La velocità di trasmissione dei dati al lancio era di con un ritmo di degrado di al giorno.
A differenza delle successive sonde Voyager, le due Pioneer erano dotate di processori dalla capacità di calcolo molto limitata, che non permetteva loro di operare in modalità semi-automatica. Le lunghe sequenze di comando venivano quindi sviluppate dagli operatori a terra e successivamente trasmesse alla sonda che le eseguiva. La sonda era anche in grado di mantenere in memoria fino a cinque comandi delle 222 possibilità che erano state previste. Ciascuna sonda era dotata di un'unità di archiviazione dei dati e ciascuna aveva una memoria di . L'unità di telemetria digitale era utilizzata per convertire i dati raccolti in uno dei 13 formati previsti prima della loro trasmissione sulla Terra.
Strumenti scientifici Helium Vector Magnetometer (HVM)Questo strumento ha misurato la struttura fine del campo magnetico interplanetario, mappato il campo magnetico gioviano e fornito misurazioni dello stesso per valutare l'interazione del vento solare con Giove. Il magnetomentro consisteva in una cella caricata con elio e montata su un braccio lungo 6,6 metri per isolare parzialmente lo strumento dal campo magnetico della sonda. Principal investigator: Edward Smith / JPL Data: PDS/PPI data catalog, NSSDC data archiveQuadrispherical Plasma AnalyzerGuardava attraverso un buco nella grande antenna a forma di piatto per individuare particelle del vento solare provenienti dal Sole. Principal investigator: Aaron Barnes / NASA Ames Research Center (archived website) Data: PDS/PPI data catalog, NSSDC data archiveCharged Particle Instrument (CPI)Ha rilevato raggi cosmici nel Sistema Solare. Principal investigator: John Simpson / University of Chicago Data: NSSDC data archiveCosmic Ray Telescope (CRT)Ha ottenuto dati sulla composizione delle particelle che compongono i raggi cosmici e i loro campi energetici. Principal investigator: Frank B. McDonald / NASA Goddard Space Flight Center