Pioneer

De Pioneer serie bestond uit een groot aantal ruimtevaartuigjes die er allemaal verschillend uitzagen.
De eerste Pioneer werd al in november 1958 naar de Maan gestuurd. Na een aantal Pioneervluchten zonder nummer was Pioneer 5, die in november 1960 werd gelanceerd de eerste van een serie die planetair onderzoek ging doen.

Het meest bekend zijn de Pioneer 10 en 11 die op ambitieuze vluchten naar de planeten Jupiter en Saturnus werden gestuurd. 

Het ging om de allereerste reizen van een door mensen gemaakt ruimtevaartuig naar deze grote planeten. Daarna zouden hun reizen verder gaan, het zonnestelsel uit en verder naar de sterren. Omdat de Pioneers misschien ooit gevonden zouden kunnen worden door andere beschavingen, was er een plaquette aan boord met daarop gegevens over "ons". (zie rechtsonder). Te zien is o.a. de positie van de Aarde ten opzichte van 14 pulsars, ons zonnestelsel en de grootte van de mens vergeleken met de Pioneer.

Jupiter en Saturnus waren vanaf de Aarde wel met telescopen te bekijken, maar over de straling, magnetische velden, samenstelling van de atmosferen, de temperaturen van de planeten en de omgeving van beide planeten was niets bekend. Bovendien moesten de Pioneers de planeto´dengordel tussen de banen van Mars en Jupiter doorkruisen, een tot dan toe onbekend gebied. Het doel was dan ook om de interplanetaire ruimte voorbij Mars te verkennen, de oorsprong van de planeto´dengordel te onderzoeken (en het gevaar voor toekomstige ruimtevaartuigen!) en de omgeving te verkennen van Jupiter en Saturnus.

In de tekening hierboven is te zien welke instrumenten er aan boord waren. Van boven naar onder zijn dat de:

 

ruimtevaartuig

Men wilde zoveel mogelijk in de ruimte beproefde onderdelen gebruiken. Daarom werd er gebruik gemaakt van modules uit de series Pioneer 6 t/m 9. Om het succes van de missies te vergroten werden er twee Pioneers gelanceerd. De instrumenten moesten zo eenvoudig mogelijk gehouden worden. De ingewikkeldheid had men liever op de Aarde. De Pioneers waren ook veel minder zelfstandig dan de later gelanceerde Voyagers.
Alle onderdelen waren dubbel uitgevoerd, maar toch zo eenvoudig mogelijk, want het gewicht van de Pioneer moest laag gehouden worden.

Pioneer 10 werd op 2 maart 1972 gelanceerd. Nog nooit was een door mensenhanden gemaakt voorwerp zo snel geweest: 51.682 km/h. Op 15 oktober passeerde deze pioneer als eerste ruimtevaartuig de planeto´dengordel. Dit is een griezelig gebied: een deeltje van slechts 0,05 mm kon bij de Pioneer inslaan met een snelheid van 15 maal die van een geweerkogel. Later bleek dat de Pioneers deze gordel zonder problemen konden passeren. Pioneer 10 zou Jupiter op ruime afstand  passeren (3 Jupiter stralen), omdat men het niveau van de straling bij Jupiter nog niet kende.

De communicatie verliep via een 8 Watt zender in de Pioneer. Op Aarde kon het Deep Space Network (DSN) met schotelantennes van 64 m en 400 KW sterke zenders  zorgen voor een goede ontvangst in de Pioneer radio's. 
De ontvangen signalen op Aarde waren erg zwak. Een voorbeeld: 

een signaal, uitgezonden bij Jupiter, komt met zo weinig energie aan, dat in 16,7 miljoen jaar een nachtlampje van 7,5 watt slechts 1/1000 sec. zou branden op die ontvangen energie.

De ontvangst was zo zwak, dat het Pioneer signaal net boven de achtergrond ruis was te herkennen. Daarom werd er ook gebruik gemaakt van digitale signalen (een een of een nul, zender aan, zender uit). En vanwege de ontvangst en de grote afstand werden er in een heel laag tempo gegevens uitgezonden. Er waren 13 "formaten", nl van 16 tot 2048 bits per seconde (bps). Om gegevens te kunnen opslaan beschikte de Pioneer over een geheugen van 49.152 bits. Een magneetbandrecorder was niet aan boord.

Commando's vanaf de aarde werden met een "snelheid" van 1 bit per seconde uitgezonden. Elke boodschap naar de Pioneer bestond uit een serie van 22 bits, dus elk commando duurt 22 seconden. Er waren 222 verschillende commando's voor de Pioneers. Het geheugen kon slechts 5 commando's opsparen.

Het standregeling systeem kon de Pioneer om zijn als laten draaien met twee raketjes die met de as van het ruimtevaartuig meewerkten (links). Die draaiing, rotatie-as of spin in de tekening, was belangrijk voor de Pioneer. Als er versneld moest worden vuurden twee raketjes naast de schotelanatenne in de richting van de Aarde (midden). Als de Pioneer langs een andere as verdraaid moest worde, kantelen dus, dan vuurde een raketje in de andere richting (rechts). De raketjes hiervoor werkten door de brandstof hydrazine in de straalpijpjes te spuiten, waar een katalysator (zilvergaas) aanwezig was. Op die manier ontstond heet gas, dat met kracht uit de staalpijpjes geblazen werd. De spin van de Pioneer was 4,8 omwentelingen per minuut. Dat was belangrijk voor veel instrumenten en de camera. Een speciaal richtsysteem aan boord zorgde ervoor dat de schotelantenne altijd op de Aarde gericht bleef. Dat systeem heette "Conscan", van conical scan. Het probleem was namelijk, dat de rotatie-as van de Pioneer niet helemaal gelijk viel met die van de schotelantenne. Het scheelde een graad. Dat kon men op Aarde merken aan een regelmatige variatie in het signaal (4,8 maal per minuut!). Als die variatieverschillen te groot werden, kon men de stand van de Pioneer weer aanpassen. Niet te vaak natuurlijk, want de hydrazine zou ook ooit eens opraken. 
Verder waren er een Canopus zoeker en twee zonzoekers aan boord.

Gegevens van de Pioneer:
hoogte: 2,9 m
diameter: 2,7 m (door de antenne)
bus: een achtkantig segment met panelen van 71 bij 35 cm
drie uitsteeksel bevinden zich elk op 120 graden van elkaar: de twee atoom-energie centrales, die zich elk drie m van het middelpunt van de Pioneer op armen bevinden en de derde is de arm met de magnetometer, die zich 6,6 m van het middelpunt bevindt.
6 hydrazine straalpijpjes van 1,8 tot 6,4 Newton regelbaar zorgen voor de standregeling
het instrumentarium weegt niet meer dan 30 kg (op Aarde).

camera

De camera van de Pioneer was een heel apart apparaat. Het was eigenlijk een photopolarimeter. De lichtgolven van de Zon die op de wolken van bijvoorbeeld Jupiter weerkaatsen, verdraaien iets in richting. En dit effect geldt niet alleen voor wolken. Speel maar eens met een Polaroid zonnebril. Verdraai die terwijl je bijvoorbeeld erdoor naar het water in een zwembad kijkt.  De photopolarimeter had drie standen van gevoeligheid. De meest gevoelige stand werd gebruikt om zodiakaal licht te meten in de buurt van de Aarde. Zodiakaal licht is zonlicht dat door stofdeeltjes rondom de Aarde verstrooid wordt.
De camera bestond uit een klein spiegel telescoopje van 2,54 cm middellijn. Via een stelsel van kleine spiegels werden de lichtgolven naar detectoren gestuurd. In de tekening zijn dat de twee bussen, boven en onder. De ene detector kreeg blauw licht en de andere rood. Hieruit was een kleurenfoto samen te stellen, omdat men op Aarde via een handigheidje de groene component van het beeld uit de andere twee kleuren kon samenstellen. Een schijf met openingen bepaalde het gezichtsveld. Dus alsof je door een sleutelgat kijkt. 

De rechter foto laat de photopolarimeter zien. Het telescoopje kon draaien. Dat was belangrijk voor het scannen. Voor dit scannen van de planeten en manen werd het gezichtsveld van 0,028 graden in het vierkant gebruikt. Door de draaiing van de Pioneer "zag" de photopolarimeter steeds een strook van Jupiter, of nog beter: een wisselende lichtstip. Door na elke omwenteling het telescoopje van de photopolarimeter iets te verdraaien, kreeg je een tweede strook, een derde, enz. Op die manier werd al scannend het oppervlak van de planeten in beeld gebracht.

Om de photopolarimeter te kunnen ijken, was er in het instrument nog een calibratie lampje aangebracht. De analoge informatie van de photopolarimeter werd omgezet in digitale vorm en in een klein geheugen bewaard. 
De lichtvariaties konden in 64 grijstinten worden vast gelegd, want men gebruikte voor elke pixel een waarde van 6 bits.

Omdat bij elke omwenteling maar een klein stukje van de hemel in beslag genomen werd door Jupiter, Saturnus of de manen, liet men het scannen pas beginnen als er een hemellichaam in beeld was. Het was immers zonde om het geheugen van de Pioneer te vullen met het zwart van het heelal. Het starten van het scannen werd pas begonnen als de rand van een hemellichaam in beeld kwam.
De aftastlijnen van 14 graden lengte werden in een 6144 bit buffer geheugen opgespaard. Elke volgende lijn schreef hierover weer informatie heen. Het inlezen van de digitale informatie duurde ongeveer 0,5 sec, zodat er tijdens elke omwenteling van de Pioneer 12 seconden overbleven om het geheugen uit te lezen met een snelheid van 512 bps.Van alle door de Pioneers uitgezonden informatie was 50% bestemd voor de
Imaging Photopolarimeter

 

 

 

 

 

Natuurlijk traden er ontvangst- en andere problemen op. Maar fotobewerken met de computer is niet iets van deze tijd. Dat kon men in 1973 ook al!

In deze linker foto van Jupiter zijn stukken en soms hele lijnen van de scans weggevallen, omdat er kennelijk geen ontvangst was. Dat heeft men in de rechter foto knap opgelost.
Op deze Jupiter foto's van Pioneer 11 is er iets misgegaan met het draaimechanisme van het telescoopje. Ook zijn er stukjes data verloren. Dat werd weer knap opgelost in de uiteindelijke foto.

resultaten

Pioneer 10 dook op 15 juli 1972 de planeto´den gordel in, die 80 miljoen km dik is. Dat overleefde hij zonder problemen. Door de aantrekkingskracht van de grote planeet Jupiter werd de Pioneer 10 versneld tot 132.000 km/h. Jupiter werd op 130.000 km afstand gepasseerd. Dit gebeurde op 3 december 1973. Tijdens die passage werd Jupiter gefotografeerd (de eerste opnamen van dichtbij!), werden de enorme stralingsgordels gemeten en werd het magnetisch veld gelocaliseerd. Hierna begon Pioneer 10 aan een reis die hem uit het zonnestelsel voerde.

Pioneer 11 liet op 19 april 1974 de planeto´den gordel veilig achter zich en werd door de eigen raketjes versneld . Hij zou op 43.000 km afstand Jupiter passeren. Met de enorme snelheid van 175.000 km/h suisde Pioneer 11 over de wolkentoppen van Jupiter. Er werden 11 opnamen gemaakt van de Grote Rode Vlek, en verder van de poolstreken van de planeet. Ook kon men de massa van de maan Callisto bepalen. Met een boog boven de ecliptica en met nog steeds die enorme snelheid, werd de reis voortgezet naar Saturnus. Op 1 september 1979 vloog deze Pioneer op 13.000 km boven het oppervlak van Saturnus. Hij ontdekte twee nieuwe manen en een extra ring, bracht het magnetisch veld van Saturnus in kaart en kon de temperatuur meten van de maan Titan. Na de passage van Saturnus en onder de planeet, werden mooie foto's van Saturnus en zijn ringen gemaakt. Ringen die vanaf de Aarde licht van kleur waren, zagen er op die opnamen donker uit.

Na de passages werden door de beide Pioneers de geladen deeltjes van de zon gemeten en de kosmische straling in ons zonnestelsel.

 

 

 

Jupiter door Pioneer 10 De beste foto van Ganymedes
Pioneer 11 Saturnus details van de ringen en enkele scanfouten

 

Na meer dan 30 jaar heeft Pioneer 10 zijn laatste signaal naar de aarde gestuurd. De laatste keer dat het Deep Space Network een zwak signaal ontving, was op 22 januari 2003. De laatste poging om contact te krijgen was op 7 februari 2003. De radioactieve elektrische generator gaf nog maar weinig energie.
Pioneer 10 vliegt steeds verder van de zon weg en gaat in de richting van de rode ster Aldebaran (de linker bovenste "schouder" ster van het sterrenbeeld Orion. Deze ster staat op een afstand van 68 lichtjaren. Over twee miljoen jaar zal Pioneer 10 in de buurt van Aldebaran zijn. Misschien vindt een andere beschaving ooit de Pioneer met de plaquette...

De missie van Pioneer 11 werd be´ndigd in november 1995, toen de laatste uitzending ontvangen werd. Ook hier was de elektrische energie "op". Pioneer 11 is op weg naar het sterrenbeeld "Adelaar". Over vier miljoen jaar zal hij een van de sterren in dat sterrenbeeld passeren.

Hiernaast staan in twee verschillende schalen de banen van de Pioneers getekend. De jaartallen staan erbij, maar men heeft uit voorzichtigheid niet verder dan 1990 durven gaan...

De Pioneers waren heel nuttige voorlopers voor het Voyager project. Hier was de fotografie veel belangrijker. De Voyager foto's waren zeker honderd maal beter.

De ervaringen die opgedaan werden bij vooral Jupiter, werden mooi meegenomen bij de bouw van de Voyagers. De elektronica werd veel beter beschermd tegen de intense straling rond Jupiter.

 

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/