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Pioneer 10 ist eine Raumsonde der NASA zur Erforschung des Jupiters, sowie des interplanetaren Mediums. Sie wurde am 3. März 1972 vom Launch Complex 36 auf Cape Canaveral mit einer Atlas-Centaur-Rakete gestartet.
Neben zahlreichen wissenschaftlichen Erkenntnissen über Jupiter und Teile des äußeren Planetensystems war die Pioneer 10-Mission auch ein wichtiger Schritt im Bereich der Raumsondenkonstruktion und Missionsplanung.
Geschichte
Technik
Pioneer 10 wurde primär aus Aluminium gebaut und wog beim Start 258 kg, wobei 28 kg auf den Hydrazin-Treibstoff zur Lagereglung entfielen. Der zentrale Teil der Sonde bestand aus einem sechseckigen Ring, der den Großteil der Elektronik beherbergte und in einer Aluminium-Waben Struktur gefertigt war. Das Sechseck besaß eine Tiefe von 25,5 cm und wies eine Seitenlänge von 71 cm auf. Auf dieser zentralen Zelle befand sich die auffällige Parabolantenne mit einem Durchmesser von 2,74 Metern. Alle 120° befand sich ein Ausleger. Zwei davon trugen in drei Metern Entfernung je zwei Radionuklidbatterien (siehe Energieversorgung), um Sörungen durch deren Strahlung zu vermindern. Am dritten 6,6 m langen Ausleger befand sich das HVM-Instrument. Im Zentrum des Ringes befindet sich ein beheizter Kugeltank mit einem Durchmesser von 42 cm, welcher 28 kg Hydrazin aufnehmen konnte.
Energieversorgung
Voyager 10 war die erste Sonde, die ihre Energie ausschließlich aus einer thermoelektrischen Radionuklidbatterie bezog. Diese Neuheit war nötig, da die Sonnenstrahlung bei Jupiter 27-mal geringer ist als bei der Erde, wodurch Solarzellen aufgrund der benötigten Fläche von ca. 23 m² unpraktikabel waren. Die vier Batterien von Pioneer 10 waren mit dem Isotop Plutonium-238 befüllt, das eine Halbwertzeit von 87,7 Jahren aufweist und während des Zerfalls α-Strahlen emittiert. Diese Strahlung wird sehr schnell absorbiert, was große Mengen Wärme freisetzt (typischerweise mehrere 100° Celsius). Diese Wärme können Thermoelementen (90 Stück pro Batterie) letztendlich direkt in elektrische Energie umsetzen.
Die Batterien waren vom Typ SNAP-19, welche auch bei den Viking-Sonden zum Einsatz kamen wogen je 15,4 kg und besaßen die Abmessungen 58 × 38 cm. Beim Start erzeugten alle Batterien insgesamt eine Leistung von 155 Watt, welche aufgrund des Plutonium-Zerfalls bei Jupiter und des Verschleißes der Thermoelemente bei Jupiter auf 140 Watt gesunken war. Im Jahre 2004 sank das Niveau auf nur noch 65 Watt ab. Pioneer 10 verbrauchte maximal 106 Watt, wobei 26 Watt auf die wissenschaftlichen Instrumente entfielen. Die Bordspannung betrug 28 Volt.
Elektronik
Pioneer 10 besaß wie frühere Raumsonden kaum automatische Steuerungssysteme und musste somit ständig mit Kommandos von der Bodenstation versorgt werden. Insgesamt gab es 222 Befehle, wovon 73 auf die Steuerung der wissenschaftlichen Instrumente und 149 auf die Kontrolle der Sonde entfielen. Jeder Befehl war 22 Bit lang, womit die Übertragung bei Jupiter 22 Sekunden dauerte. Für einige Situationen, in denen mehrere Befehle in schneller folge hintereinander ausgeführt werden mussten reichte diese Datenrate allerdings nicht aus. Daher verbaute man einen Speicher, der bis zu fünf Kommandos aufnehmen konnte. Die wissenschaftlichen Instrumente verfügten über einen Speicher mit einer Kapazität von insgesamt 50 kbit und konnte mit 18 verschiedenen Datenformaten umgehen. Eines der wenigen automatischen Komponenten der Sonde war das CONSCAN-System. Mithilfe der Minimumpeilung konnte es so die Antenne autonom auf die Erde ausrichten. Allerdings war die manuelle Ausrichtung durch Befehle von der Bodenstation im Hinblick auf den Treibstoffverbrauch effektiver, weswegen der CONSCAN-Modus nur selten eingesetzt wurde.
Kommunikation
Die Kommunikation erfolgte primär über die große Hochgewinnantenne, welche einen Durchmesser von 2,74 Metern aufwies. Auf dem Empfänger befand sich zusätzlich noch eine Mittelgewinnantenne, welche auch bei einer ungenauen Ausrichtung auf die Erde Daten senden und empfangen konnte. Sollte die Sonde keinerlei Ausrichtung auf die Erde durchführen können, so gab es auf der anderen Seite noch eine Nierdriggewinnantenne, welche allerdings in einem viel größerem Bereich (32° Öffnungswinkel) senden und empfangen konnte, wenn auch bei extrem geringen Übertragungsraten. Dies resultiert zu großen Teilen aus dem sehr niedrigen Antennengewinn von nur 21 db. Daher war sie nur zur Notfallkommunikation gedacht und wurde nicht zum Übermitteln wissenschaftlicher Daten genutzt.
Alle Übertragungen fanden im S-Band bei 2.110 oder 2.292 Mhz statt, wobei die beiden redundanten Transmitter eine Sendeleistung von je 8 Watt aufwiesen und 1,75 kg schwer waren. Die Hochgewinnantenne hatte einen Öffnungswinkel von 3,3° und erreichte einen Antennengewinn von 38 db. Hiermit wurde im Asteroidengürtel eine Senderate von 2 kbit/sec erreicht, bei Jupiter 1 kbit/sec und bei Saturn 0,5 kbit/sec. Allgemein konnte die Übertragungsrate in 16 Schritten von 0,016 kbit/sec bis 2 kbit/sec gewählt werden. Die Empfangsrate war bei Jupiter mit nur einem Bit pro Sekunde sehr niedrig.
Flugsteuerung
Um die Position der Sonde zu ermitteln kamen zwei Sternensensoren zum Einsatz, welche die Sonne und Canopus als Leitstern anpeilten. Sollte einer der beiden Sterne aus dem Sichtbereich der Sensoren auswandern wurde eine Lagekorrektur eingeleitet. Diese wurde durch 12 paarweise angeordnete Schubdüsen durchgeführt, welche sich an der Antennenschüssel befanden. Sie konnten einen Schub von 1,8 bis 6,2 Newton erzeugen, was Kurskorrekturen von über 200 m/s möglich machte.
Wissenschaftliche Instrumente
Pioneer 10 führte insgesamt 11 wissenschaftliche Instrumente mit, wobei das „S-Band Experiment“ nicht als eigesntändiges System gezählt wird.
| Instrument | Hersteller | Gewicht | Verbrauch |
|---|---|---|---|
| Asteroid/Meteoroid Astronomy | General Electric | 3,3 kg | 2,7 W |
| Meteoroid Detectors (MD) | Langley Research Center | 1,7 kg | 0,7 W |
| Imaging Photopolarimeter (IPP) | University of Arizona | 4,3 kg | 2,2 W |
| Infrared Radiometers (IR) | Caltech | 2,0 kg | 1,3 W |
| Ultraviolet Photometry (UV) | University of California | 0,7 kg | 0,7 W |
| Charged Particle Composition (CPI) | University of Chicago | 3,0 kg | 2,4 W |
| Trapped Radiation Detector (TRD) | University of California | 1,7 kg | 2,9 W |
| Cosmic-Ray Spectra (CRS) | Goddard Space Center | 3,2 kg | 2,2 W |
| Geiger Tube Telescope (GTT) | University of Iowa | 1,6 kg | 0,7 W |
| Helium Vector Magnetometer (HVM) | Jet Propulsion Laboratory | 2,6 kg | 5,0 W |
| Quadrispherical Plasma Analyzer (PA) | Ames Space Center | 5,5 kg | 4,0 W |
| Gesamt | - | 29,6 kg | 24,3 W |
Asteroid/Meteoroid Astronomy (AMA)
Meteoroid Detectors (MD)
Imaging Photopolarimeter (IPP)
Infrared Radiometers (IR)
Ultraviolet Photometry (UV)
Charged Particle Composition (CPI)
Trapped Radiation Detector (TRD)
Cosmic-Ray Spectra (CRS)
Geiger Tube Telescope (GTT)
Helium Vector Magnetometer (HVM)
Quadrispherical Plasma Analyzer (PA)
