Pioneer 10

Pioneer 10
Sonde spatiale

Pioneer H(sonde identique et jamais lancée) auNational Air and Space MuseumàWashington.

Données générales

Organisation	NASA/Ames
Constructeur	TRW
Programme	Pioneer
Domaine	Exploration deJupiteret dumilieu interplanétaire
Nombre d'exemplaires	2
Statut	Mission terminée
Autres noms	Pioneer-F
Lancement	2 mars 1972
Lanceur	Atlas-Centaur(AC-27) (Atlas 3C # 5007C - Centaur D-1A)
Identifiant COSPAR	1972-012A
Protection planétaire	CatégorieII

Principaux jalons

Lancement	2 mars 1972
Survol deJupiter	4 décembre 1973
Passe l'orbite deNeptune	13 juin 1983
Fin de mission	31 mars 1997
Dernier signal radio	23 janvier 2003

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	258kg
Masse instruments	29,6kg
Ergols	Hydrazine
Masse ergols	27kg
Δv	187,5m/s
Contrôle d'attitude	Stabilisé par rotation (spinnée)
Source d'énergie	RTG
Puissance électrique	155 watts

Orbite

Orbite	Trajectoire d'échappement du système solaire

Pioneer10est unesonde spatialeaméricaine lancée en 1972, ayant pour mission de faire unepremière reconnaissancede planètes duSystème solaire externe.Suivie par sa jumellePioneer 11,elle est ainsi le premiervéhicule spatialà traverser laceinture d'astéroïdes(1972), à effectuer un survol de la planèteJupiter(1973), puis à atteindre lavitesse de libérationnécessaire pour quitter leSystème solaire.Les données et photos collectées par les onze instruments embarqués permettent de lever certaines des inquiétudes des concepteurs des sondes duprogrammeVoyager,beaucoup mieux équipées et lancées cinq années plus tard pour réaliser une étude détaillée de Jupiter,Saturneet leurssatellites.

La sonde de 258kgest développée par laNASAdans le cadre duprogrammePioneeret lancée le2 mars 1972par une fuséeAtlas-Centaur D.En 1983, elle franchit l'orbite de la planèteNeptune,la dernière planète du Système solaire, et s'éloigne depuis en direction de l'étoileAldébaranqu'elle atteindra dans deux millions d'années.Pioneer10est la première sonde spatiale équipée d'ungénérateur thermoélectrique à radioisotope(RTG), qui lui permet de s'affranchir de l'énergie solaire— très réduite aux distances des planètes supérieures — pour sa production d'énergie. Le dernier contact avec ce précurseur est établi le23 janvier 2003.

Contexte

Projets américains d'exploration des planètes supérieures dans les années 1960

Au début de l'ère spatiale, dans la première moitié de la décennie 1960, les missions d'exploration du Système solairemenées par laNASA,l'agence spatiale américaine, se concentrent sur laLuneet les deux planètes les plus proches de la Terre:MarsetVénus.À la suite de leurs premiers succès, les trois centres spatiaux de la NASA impliqués dans les missions interplanétaires — lecentre de rechercheAmes,lecentre de vol spatial Goddardet leJet Propulsion Laboratory— étudient des missions visant des objectifs plus éloignés. Le centre de recherche Ames lance dans les années 1960 plusieurs petites sondes spatiales (Pioneer 6à9) qui étudient lemilieu interplanétaireà proximité de la Terre. Fort du succès rencontré, le centre Ames débute la conception de deux nouvelles sondes spatiales,Pioneer FetPioneer G,avec un programme similaire (étude duvent solaire,durayonnement cosmiqueet autres caractéristiques du milieu interplanétaire), mais qui doivent s'éloigner jusqu'à une distance de quatreunités astronomiquesduSoleil,soit quatre fois la distance Terre-Soleil. À la même époque, le centre Goddard étudie la missionGalactic Jupiter Probe,dont les objectifs comprennent l'étude de laceinture d'astéroïdeset de l'environnement autour de la planèteJupiter.La sonde spatiale chargée de cette mission a recours pour la première fois dans une mission interplanétaire à ungénérateur thermoélectrique à radioisotope(RTG), qui utilise la chaleur dégagée par la désintégration duplutoniumpour produire l'énergie qui lui est nécessaire. En effet, à grande distance du Soleil, lespanneaux solaires,compte tenu du rendement obtenu à l'époque, ne sont plus une solution viable. Le centre Goddard propose de construire quatre sondes spatiales lancées par paires, pour un budget total de 100 millions dedollars américains.Le JPL, qui a rencontré un énorme succès avec ses sondes spatialesMariner,propose de son côté la missionNavigator,un projet de sonde spatiale particulièrement ambitieux, avec une masse de 1 000kget un ensemble très complet d'instruments scientifiques. Ce projet est remplacé par leprogrammeGrand Tour,qui propose d'utiliser une trajectoire mise au point par l'ingénieurGary Flandro,exploitant une conjonction exceptionnelle desplanètes supérieuresqui ne se reproduit que tous les 176 ans. Celle-ci doit permettre à des sondes spatiales de survoler plusieurs de ces planètes pratiquement sans dépenser decarburant,uniquement en utilisant l'assistance gravitationnelle.Le projet du JPL n'est finalement pas retenu mais pose les fondations duprogrammeVoyager,presque aussi ambitieux, dont le développement est lancé enjuillet 1972.

Sélection de la mission

L'Académie nationale des sciencesdes États-Unis produit à cette époque un rapport donnant une priorité maximale à l'étude de la planèteJupiter.Aussi, la NASA décide en 1967 de modifier l'objectif des missionsPioneer FetGpour y inclure l'étude de la planète géante et de rattacher celles-ci à sa division interplanétaire. L'agence spatiale annule par contre le projetGalactic Jupiter Probeducentre de vol spatial Goddard,car celui-ci est jugé trop coûteux et parce qu'il risque d'accaparer les ressources d'un établissement complètement mobilisé par leprogrammeApollo.Pour permettre aux sondes spatialesPioneerde disposer de suffisamment d'énergie aux abords de Jupiter, éloignée de 5,2uadu Soleil, elles utilisent les RTG envisagés par le centre Goddard. Un groupe de travail, baptiséOuter Space Panelet présidé parJames Van Allen,définit les objectifs scientifiques qui seront assignés à ces missions, tandis que le centre spatial de la NASA définit les caractéristiques techniques des sondes spatiales. Le projetPioneer Jupiterest lancé officiellement par la NASA enfévrier 1969.La sociétéTRW,qui a construit les autres sondes du programmePioneer,est sélectionnée pour fabriquer les sondesPioneer FetPioneer G.

• Construction et assemblage
• 
  La phase finale de l'assemblage dePioneer 10dans l'usine du constructeur TRW.
• 
  La sondePioneer 10est fixée sur l'étage à propergol solideStar37E, qui doit lui imprimer une vitesse additionnelle au lancement.

Construction

L'objectif de la mission des sondes spatialesPioneer 10etPioneer 11est d'étudier le milieu interplanétaire au-delà de l'orbite de la planèteMars,d'évaluer le risque de collision dans la ceinture d'astéroïdes et enfin d'étudier la planète Jupiter et son environnement. Les expériences scientifiques embarquées sont sélectionnées parmi 150 propositions effectuées à fin des années 1960 et au début des années 1970. Les deux sondes spatiales suivent des trajectoires différentes: la première sonde spatialePioneer 10doit jouer un rôle d'éclaireur en effectuant la première traversée de laceinture d'astéroïdesqui s'étend au-delà de Mars, puis doit survoler Jupiter et ses lunes. De son côté,Pioneer 11,lancée un an plus tard, suit initialement la même trajectoire mais utilise ensuite l'assistance gravitationnellede Jupiter pour se diriger versSaturneet survoler cette planète. Pour placer en orbite la sonde spatiale, le lanceurAtlas-Centaur Dest retenu. Celui-ci permet de placer un engin d'environ une tonne sur une orbite interplanétaire. La trajectoire retenue pour atteindre Jupiter est directe (pas de recours à l'assistance gravitationnelledes planètes inférieures). Pour atteindre Jupiter, le lanceur est surmonté par un troisième étage àpropergol solideStar 37E(en)de 1 127kg,qui fournit une poussée de 66,7kilonewtons.Les sondesPioneer-FetPioneer-Gsont lancées respectivement en 1972 et 1973 et baptisées après leur lancementPioneer 10etPioneer 11.En 2001, le coût total du programme est évalué à 350 millions de dollars dont 200 millions pour le développement et 150 millions pour le lancement, la gestion opérationnelle et l'exploitation des résultats.

Déroulement de la missionPioneer 10

Lancement

La sondePioneer 10installée au sommet de son lanceurAtlas-Centaur(AC-27), peu avant son lancement.

La sondePioneer 10au niveau de l'orbite de Neptune, avec au loin le Soleil (vue d'artiste).

Lafenêtre de lancementpermettant le lancement dePioneer 10vers la planète Jupiter a une durée un peu supérieure à un mois et revient tous les treize mois. En 1972, elle s'ouvre le25 févrieret se referme le20 mars.La sonde spatialePioneer 10est convoyée par avion depuis laCaliforniejusqu'à labase de lancement de Cap CanaveralenFlorideenjanvier 1972et est préparée pour le lancement. Après deux tentatives avortées à cause de la vitesse du vent dans les couches supérieures de l'atmosphère, le lanceurAtlas-Centaur(AC-27) décolle le2 mars 1972depuis l'aire de lancementLC-36A(en).L'injection de la sonde spatiale sur sa trajectoire vers Jupiter est directe. Après avoir été largué par le lanceur, l'ensemble formé par l'étage supérieurStar 37Eet la sonde spatiale est mis en rotation rapide («spinné»), à 21 tours par minute, et le troisième étage est mis à feu durant 43 secondes avant d'être largué. Trente minutes après son lancement, les mâts servant de support au capteur dumagnétomètreet auxgénérateurs thermoélectriques à radioisotope(RTG) sont déployés, faisant chuter la vitesse de rotation à 4,8 tours par minute.Pioneer 10,qui atteint une vitesse de14,356km/s(51 682km/h) par rapport à la Terre, établit un nouveau record de vitesse et dépasse l'orbite de la Lune seulement onze heures après son lancement. La sonde spatiale est placée sur uneorbite héliocentrique,dont l'apogéese situe à 5,97unités astronomiquesduSoleilet l'inclinaison orbitalepar rapport auplan de l'écliptiqueest de1.92°.

Franchissement de la ceinture d'astéroïdes

Durant les deux premières semaines du vol, le fonctionnement des instruments est vérifié. Deux corrections de la trajectoire sont effectuées le7 mars(14m/s) et le26 mars(3,3m/s). Durant le transit vers la planète Jupiter, qui va durer vingt mois, la sonde spatiale doit étudier le milieu interplanétaire, dont les caractéristiques n'ont jamais été mesurées au-delà de l'orbite de Mars. Celle-ci est dépassée au bout de trois mois (contre sept à dix mois pour lessondes vers Mars). Une des inconnues de ce vol concerne la traversée de laceinture d'astéroïdesqui rassemble des millions d'astéroïdes entre les orbites de Mars et de Jupiter. Celle-ci est atteinte enjuillet 1972.Les responsables du projet estiment la probabilité que la sonde spatiale soit détruite par un morceau d'astéroïde à 10 %, ce qui a contribué à justifier le lancement de deux sondes spatiales. Enfévrier 1973,Pioneer 10traverse cette région de l'espace sans que les détecteurs de météorites ne signalent un quelconque impact significatif. La sonde spatiale passe à plusieurs millions de kilomètres de deux astéroïdes sans que ses instruments ne puissent recueillir d'informations.

Survol de Jupiter

Une intensification des flux de particules est détectée à plus de 20 millions de kilomètres de la planèteJupiter,signalant son influence croissante sur l'environnement interplanétaire. À 6,4 millions de kilomètres, les instruments dePioneer 10mesurent une forte diminution de la vitesse duvent solaireet une élévation de la température liée à la traversée de l'onde de choc séparant la magnétosphère de la planète dumilieu interplanétaire,dominé par leSoleil.La croissance du rayonnement ambiant durant les deux derniers jours de l'approche font craindre que l'électronique ne puisse survivre à l'approche finale, qui doit pourtant faire passer la sonde spatiale à « seulement » 200 000kmde la surface. Seize heures avant ce survol,Pioneer 10passe à 1,42 million de kilomètres de la luneCallisto,puis, quatre heures plus tard, à 440 000kmde la luneGanymède.Elle survole la luneEurope6,4 heures avant sa rencontre avec la planète Jupiter en passant à 330 000km.Lephotopolarimètreparvient à photographier les trois lunes, mais la meilleure résolution spatiale qui est obtenue en photographiant Ganymède est seulement de 400 kilomètres et permet uniquement de distinguer une région sombre près du pôle sud et une région plus claire près du pôle nord. Le3 décembre 1973,Pioneer 10passe à 130 354kmdu sommet des nuages de la planète géante à une vitesse de35km/sen prenant des photos. Dix minutes après ce survol, elle passe à seulement 30 000kmde la petite luneAmalthée,puis six minutes plus tard, la luneIos'interpose durant près d'une minute entre la sonde spatiale et la Terre. Cette occultation voulue permet de déterminer par l'analyse des perturbations du signal radio qu'Io a une atmosphère de très faible densité (1/20000^ede celle de la Terre) et uneionosphèrequi culmine à 700km.Lespectromètreultravioletdétecte un nuage d'hydrogèneprésent sur l'orbite de Io. L'origine de ces émissions reste à l'époque non expliquée. Ce phénomène ne sera expliqué qu'après le survol de Io parVoyager 1,qui permettra de découvrir levolcanisme de la lune,un phénomène unique dans le Système solaire. Soixante-dix-huit minutes après son survol,Pioneer 10passe dans l'ombre de Jupiter. Utilisant l'occultation résultante, les instruments découvrent des courants-jets dans l'atmosphère au niveau de pression150hectopascals,ainsi que des mouvements deconvection.Lephotomètreinfrarougefournit un profil de température très détaillé contredisant les mesures effectuées avec des instruments surTerre.Les données confirment que Jupiter émet plus de chaleur qu'elle n'en reçoit. À un niveau de pression donnée, la température relevée est uniforme à3°Cprès de l'équateur au pôle de la planète géante. L'occultation radio permet de découvrir que l'ionosphère s'étend jusqu'à une altitude de 3 000km.Entre le6 novembreet le1^erdécembre,la sonde spatiale prend 500 photos de l'atmosphère de Jupiter, dont certaines avec une résolution spatiale de 320km.Les données recueillies durant cette traversée dusystème galiléenjouent un rôle important pour la conception des missionsVoyageretGalileoqui suivent.

• Trajectoire dePioneer 10
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  La trajectoire dePioneer 10dans le Système solaire.
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  Le survol de la planète Jupiter.
• 
  Animation de la trajectoire de la sondePioneer 10du3 mars 1972au31 décembre 1975.

Aux confins du Système solaire

En survolant la planèteJupiter,Pioneer 10bénéficie de sonassistance gravitationnelle.Celle-ci accroît sa vitesse suffisamment pour lui permettre de quitter à terme le Système solaire. La nouvelle trajectoire de la sonde spatiale la mène dans la direction opposée au déplacement du Soleil dans la galaxie.Pioneer 10entame ainsi un périple qui doit la conduire aux alentours de l'étoileAldébarandans deux millions d'années. Une fois sortie de la magnétosphère de Jupiter, les instruments dePioneer 10commencent à étudier les particules du vent solaire et lerayonnement cosmiqueissu de notre galaxie. Le principal objectif est la recherche de l'héliopause,cette frontière qui délimite la zone d'influence du Soleil. Au lancement dePioneer 10,laNASAestime que lesantennes paraboliquesà grande portée duDeep Space Network(DSN) permettent de capter le signal de radio faiblissant jusqu'au milieu des années 1980. Des améliorations considérables de ce réseau permirent de prolonger cette durée de près de quinze ans. Malheureusement, la sonde spatiale se dirigeant à l'opposé du déplacement du Système solaire n'arriva jamais jusqu'à l'héliopause, car celle-ci se trouve beaucoup plus loin du Soleil dans cette direction. La mission de la sonde est arrivée officiellement à son terme le31 mars 1997,principalement pour des raisons budgétaires. Des contacts occasionnels sont pris en 2002 pour le30^eanniversaire de son lancement,Pioneer 10,malgré son âge et les conditions qu'elle a rencontrées, fonctionne encore (même si de nombreux systèmes sont arrêtés faute d'énergie, notamment). Le dernier contact avec la sonde, très faible, a eu lieu le22 janvier 2003.La tentative de contact du7 février 2003est restée sans réponse,comme celle du4 mars 2006.Lors de ces derniers contacts avec la sonde, sa vitesse est de plus de44 000km/het elle est distante du Soleil de plus de 12 milliards de kilomètres. Malgré cela, elle ne détient pas le record de distance à laTerre,celui-ci appartenant àVoyager 1.Bien que partie plus tard, cette dernière détient ce record depuisfévrier 1998car sa vitesse relative par rapport au Soleil est sensiblement plus importante.

Caractéristiques techniques

Pioneer 10comparée à...

	Pioneer 11	Voyager 1	Cassini
Date lancement	1973	1977	1997
Objectifs	Jupiter,Saturne
Type mission	Survol	Survol	Orbiteur¹
Masse totale (instruments)	276kg (30kg)	826kg (106kg)	5 712 kg (362kg)
Puissance électrique	155 watts	470 watts	885 watts
Contrôle d'attitude	Stabilisé par rotation (spinnée)	Stabilisée sur 3 axes
Débit télécom.²	512bits/s	~50kilobits/s	166kilobits/s
Ordinateur de bord	Non	Oui	Oui
¹Jupiter est survolé ² Débit au niveau de Saturne

Pioneer 10est une sonde spatiale de petite taille (selon les standards des années 2010) d'une masse de 276kg,dont 29,6kgd'instruments scientifiques et 27kgde carburant (hydrazine). La sonde spatiale eststabilisée par rotation(«spinnée») à une vitesse de 4,8 tours par minute. Pour ses corrections de trajectoire et le contrôle de son orientation, elle utilise desmoteurs-fusées à ergols liquidesde 1,5 à 6,2newtonsdisposant d'unecapacité d'accélérationde187,5m/s.Son énergie est fournie par deuxgénérateurs thermoélectriques à radioisotope(RTG), qui produisent une puissance électrique de 155 watts et dont l'usage constitue une première par un engin interplanétaire. La partie centrale dePioneer 10est constituée d'un boîtier hexagonal de 36cmde haut et de 142cmde diamètre avec six faces larges de 76cm.Il contient le réservoir d'hydrazineutilisé par les propulseurs, huit des onze instruments scientifiques, ainsi que l'ensemble des équipements nécessaires au fonctionnement de la sonde spatiale. À la base du boitier se trouve l'adaptateur circulaire qui permet de fixer la sonde spatiale au sommet du dernier étage du lanceur Atlas-Centaur. Une grandeantenne paraboliquede 2,74 mètres de diamètre est fixée sur l'une des faces du boîtier. Elle permet de transmettre les données avec un débit compris entre 2 048bits par secondeau niveau de la ceinture d'astéroïdes et 512 bits par seconde au niveau de Saturne. De l'antenne moyen gain installée au sommet de l'antenne parabolique jusqu'à l'antenne faible gain omnidirectionnelle installée à la base, la sonde spatiale mesure 2,7 mètres de haut. Chacun des deux générateurs thermoélectriques à radioisotope est fixé à l'extrémité d'un mât long de 3 mètres, qui le maintient à distance de l'électronique et des capteurs des instruments, évitant une perturbation des mesures réalisées par les capteurs. Les capteurs du magnétomètre sont fixés sur un mât long de 5,2 mètres pour les éloigner de la masse métallique de la sonde spatiale, qui perturbe également les mesures. Ces trois mâts sont en position repliée au lancement et déployés une fois la sonde spatiale en orbite. Comme les autres sondes spatiales de l'époque, la sonde spatiale ne dispose pas d'ordinateur de bordet elle ne peut qu'exécuter en séquence des instructions transmises par le contrôle sur Terre.

Schéma dePioneer 10.

Énergie

La sonde doit survoler la planèteJupiter,qui se situe à 5unités astronomiquesduSoleil.L'énergie fournie par ce dernier diminue comme le carré de la distance et est au niveau de la planète géante25 foisinférieure à celle existant au niveau de l'orbite terrestre. LaNASAchoisit donc pour la première fois sur ses sondes spatialesde remplacer lespanneaux solairespar des générateurs thermoélectriques à radio-isotope, qui tirent leur énergie de ladésintégration radioactiveduplutonium 238.La chaleur dégagée par le processus est transformée en électricité par desthermocouples.Pour pouvoir faire fonctionner tous ses systèmes,Pioneer 10a besoin de100 wattsde puissance. Il emporte quatre RTG de typeSNAP-19,qui fournissent chacun au lancement un peu moins de39 watts,soit155 wattsen tout. Compte tenu de la demi-vie duplutonium 238,l'énergie fournie ne devait baisser que de 20 % après29 ans(2001). Mais la dégradation des liaisons des thermocouples fera chuter la puissance électrique beaucoup plus rapidement: de 140 watts durant le survol de Jupiter, elle passe à 65 watts en 2005. Le modèle de RTGSNAP-19est également utilisé sur lesatterrisseurs de Marsduprogramme Viking.Pour éviter que le rayonnement interfère avec les capteurs des instruments scientifiques, les RTG sont installés deux par deux au bout de deux poutrelles longues de trois mètres et écartées de120°.

Télécommunications

Pioneer 10utilise pour les télécommunications deux émetteurs-récepteurs redondants de huit watts de puissance. La sonde spatiale dispose d'uneantenne paraboliquegrandgainfixe, d'uneantenne cornetmoyen gain et d'une antenne faible gain omnidirectionnelle. L'antenne parabolique grand gain, qui constitue l'élément le plus visible de la sonde spatiale, est attachée au corps de la sonde par trois poutrelles et a un diamètre de 2,74 mètres. Sa structure ennid d'abeillesest réalisée enaluminium.L'antenne moyen gain est fixée au-dessus de la parabole, tandis que l'antenne omnidirectionnelle se situe sur l'arrière de l'antenne grand gain. Le système de télécommunications permet de transmettre les données avec un débit de 2 048bits par secondedurant son transit vers la planète Jupiter, mais seulement de 16 bits par seconde vers la fin de la mission.

Contrôle d'attitude et correction de la trajectoire

La sonde spatiale eststabilisée par rotationavec un axe de rotation passant par le centre de l'antenne paraboliqueet le centre de laplate-forme.Elle est maintenue à l'aide de trois paires demoteurs-fusées à ergols liquidesde 1,5 à 6,2newtonsde poussée brûlant de l'hydrazine,fixés sur le bord de l'antenne parabolique. La sonde spatiale emporte 27 kilogrammes de cetergol,disposant alors d'unecapacité d'accélérationde187,5m/s.L'orientation est déterminée à l'aide de capteurs déterminant la position du Soleil et de l'étoileCanopus.Les moteurs-fusées peuvent fonctionner de manière continue, pour maintenir la vitesse de rotation cible de 4,8 tours par minute, ou par brèves impulsions. Durant les liaisons radio avec la Terre, l'axe de rotation de la sonde spatiale doit être pointé précisément vers la Terre. Pour contrôler l'orientation, l'antenne-source est légèrement décalée de l'axe de rotation de manière que le signal radio se mette à osciller en intensité si la sonde spatiale s'écarte de l'alignement avec la Terre. Un système baptisé CONSCAN (Conical Scan) exploitant cette donnée maintient le pointage de l'antenne à moins de0.3°de la direction de la Terre. La mise en œuvre de la propulsion est toutefois contrôlée par la station sur Terre.

Déclenchement des opérations à bord

Comme les sondes spatiales qui les ont précédées, les sondes spatialesPioneer 10etPioneer 11ne disposent pas d'ordinateur de bord.Les opérations (mise en marche des instruments scientifiques, modification de la trajectoire...), sont déclenchées par des commandes envoyées depuis la Terre. Pour les phases critiques, cinq commandes peuvent être enregistrées à l'avance. La contrainte associée est que l'ensemble des opérations à exécuter doivent être préparées plusieurs mois à l'avance.

Plaque de Pioneer

La plaque dePioneer 10.

Pioneer 10est la première sonde spatiale à quitter le Système solaire et à se diriger vers d'autres étoiles. À l'initiative d'Eric Burgess(en),Carl Saganet son épouseLinda Salzman Sagan(en)ont conçu un message destiné à communiquer des informations sur l'origine de la sonde spatiale à un hypothétique représentant d'uneintelligence extraterrestrerencontré sur son chemin. Le message, gravé sur une plaque d'aluminiumdorée, fait figurer des représentations d'un homme, d'une femme, duSystème solaire(avec la trajectoire approximative de la sonde) et d'unatomed'hydrogène.

Objectifs et instruments scientifiques

Étude du milieu interplanétaire entre Mars et Jupiter

Le premier objectif de la mission dePioneer 10est de recueillir des données sur lemilieu interplanétaireentre l'orbite de la planète Mars et celle de la planète Jupiter, resté jusque-là inexploré. Les instruments qui doivent remplir ces objectifs mesurent les particules, les champs magnétiques et le rayonnement cosmique. Unphotopolarimètreréalise des images et analyse la lumière diffuse. La sonde spatiale doit:

• mesurer le champ magnétique dans le milieu interplanétaire;
• déterminer comment le vent solaire est affecté par la distance au Soleil;
• mesurer le rayonnement cosmique issu du Système solaire et celui venant de l'extérieur de celui-ci;
• rechercher la région de transition de l'héliosphère qui marque la limite de l'influence du Soleil;
• mesurer la quantité d'hydrogène neutre dans le milieu interplanétaire;
• préciser la distribution de la poussière dans le milieu interplanétaire;
• déterminer la taille, la masse, la direction et la vitesse des petites particules présentes dans la ceinture d'astéroïdes.

Étude du système jovien

Caractéristiques instruments

Instrument	Constructeur	Masse	Consommation électrique
Magnétomètre	NASA /JPL	2,6kg	5,02 watts
Analyseur plasma	NASA /Ames	5,5kg	4 watts
Analyseur particules	Université de Chicago	3kg	2,4 watts
Rayonnement cosmique	NASA /Goddard	3,2kg	2,2 watts
Compteur Geiger	Université de l'Iowa	1,6kg	0,7 watt
Détecteur de radiations	Université de Californie	1,7kg	2,9 watts
Détecteur de météorites	General Electric	3,3kg	2,7 watts
Détecteur demétéorites	NASA /Langley	1,7kg	0,7 watt
Spectromètreultraviolet	Université de Californie	0,7kg	0,7 watt
Photopolarimètre	Université de l'Arizona	4,3kg	2,2 watts
Radiomètreinfrarouge	California Institute of Technology(Caltech)	2kg	1,3 watt
Total		29,6kg	24,3 watts

Au sein du système constitué par Jupiter et ses lunes, les sondes spatialesPioneer 10et11doivent:

• mesurer l'intensité, la direction et la structure du champ magnétique de Jupiter;
• déterminer le nombre et l'énergie des électrons et des protons situés sur la trajectoire de la sonde spatiale;
• rechercher les aurores polaires aux pôles de la planète géante;
• collecter des données permettant de décrypter les deux types d'ondes radio émises par Jupiter;
• cartographier les interactions entre le vent solaire et lesystème jovien;
• mesurer la température de l'atmosphère de Jupiter et de certaines de ses lunes;
• déterminer la structure des couches supérieures de l'atmosphère de Jupiter;
• cartographier la structure thermique de Jupiter;
• réaliser des images détaillées en deux couleurs de Jupiter durant son survol;
• sonder l'atmosphère de Jupiter en utilisant la technique de l'occultation de l'atmosphère par les ondes radio émises par la sonde enbande S;
• étudier les lunes galiléennes pour déterminer plus précisément leur taille et leurs principales caractéristiques physiques;
• collecter des données sur les orbites de Jupiter et de ses lunes permettant de calculer leurs éphémérides avec une plus grande précision.

Instruments scientifiques

Pour remplir ces objectifs, les sondes spatialesPioneeremportent 11 instruments scientifiques, représentant une masse de 29,6kg:

• lemagnétomètrevectoriel à hélium HVM (Helium Vector Magnetometer);
• un analyseur PA (Plasma Analysator') utilisé pour étudier leplasmaduvent solaire;
• ledétecteur de particuleschargées CPI (Charged Particle Instrument) utilisé pour détecter lesrayons cosmiques;
• l'instrument GTT (Geiger Tube Telescope) qui est uncompteur Geigerchargé de déterminer l'intensité, le spectre énergétique et la distribution angulaire des électrons et des protons durant la traversée de la ceinture de radiations de Jupiter;
• un détecteur de particules chargées TRD (Trapped Radiation Detector);
• un détecteur d'astéroïdeschargé de mesurer la densité des astéroïdes présents dans la ceinture d'astéroïdes;
• un détecteur demicrométéoritescomprenant 12 panneaux montés sur le dos de l'antenne parabolique;
• lephotomètreultravioletUV (Ultraviolet Photometry) chargé de déterminer les quantités d'hydrogèneet d'héliumprésents dans l'espace interplanétaire et dans l'atmosphère de Jupiter;
• lephotopolarimètreimageur IPP (Imaging Photopolarimeter) exploitant la rotation de la sonde pour prendre des photos larges de0,03degré de Jupiter avec des filtres bleu et rouge permettant de reconstituer une image complète de la planète;
• unradiomètreinfrarougepour mesurer la température des nuages de Jupiter et la chaleur évacuée dans l'espace par cette planète.

• Les instruments scientifiques
• 
  Magnétomètre vectoriel.
• 
  Analyseur de plasma.
• 
  Détecteur de rayons cosmiques CPI.

Résultats de la mission

Les sondesPioneer 10et11ont produit des résultats scientifiques notables:

• découverte queJupitercomme le Soleil dégage un excédent significatif de chaleur;
• première mesure de la proportion d'héliumprésent dans l'atmosphère de Jupiter;
• estimation de la température de l'atmosphère et réalisation d'une première carte de lapression atmosphérique(à0,03bar, la température est de−163°C);
• mesures du champ de gravité permettant d'évaluer la densité de Jupiter. Cela permet d'en déduire que la planète ne dispose que d'un très petit noyau rocheux, voire aucun;
• mesure de la taille et de la masse des quatresatellites galiléens.Première photo de ces lunes avec une résolution de 170 à 400kmparpixel;
• découverte d'une ionosphère autour deIo;
• observation de laGrande Tache rouge:celle-ci se situe au-dessus de la couverture nuageuse;
• observation des ceintures de radiation, dix fois plus fortes que prévu;
• découverte de la grande taille duchamp magnétique de Jupiter,sept ou huit fois plus intense que lechamp magnétique terrestre.

• Photos du système de Jupiter
• 
  Les quatre lunes principales de Jupiter photographiées parPioneer 10.
• 
  Jupiter photographié parPioneer 10.
• 
  Ganymède.

AnomaliePioneer

Dans les années 1980, les scientifiques de la NASA remarquent que la sonde se déplace moins vite que prévu. Cette décélération est très faible, de l'ordre de 8 × 10⁻¹⁰m/s².Cette anomalie est initialement mise sur le compte d'une erreur dans les calculs ou bien d'un défaut de la sonde spatiale. Mais quelques années plus tard, le même écart de vitesse est constaté sur la sondePioneer 11.Après avoir tenté, en vain, de l'expliquer, cette anomalie baptisée « anomaliePioneer» fait l'objet de nombreuses études et spéculations. Les explications les plus spectaculaires remettent en cause les lois de lamécanique célestetelles qu'elles ont été établies ou avancent un effet de lamatière noire.Finalement, une explication beaucoup plus prosaïque est découverte en 2011. La chaleur produite par lesgénérateurs thermoélectriques à radioisotopeest émise de façonisotrope,mais une fraction significative de celle qui est rayonnée en direction du dos de l'antenne est réfléchie par celle-ci dans la direction opposée, c'est-à-dire vers l'opposé du Soleil, provoquant par réaction une faible accélération résiduelle vers le Soleil.

Chronologie

• 3 mars 1972:lancement de la sonde.
• 15 juillet 1972:la sonde entre dans laceinture d'astéroïdes.
• 3 décembre 1973:Pioneer 10envoie les premières images deJupiteren gros plan.
• 13 juin 1983:Pioneer 10dépasse l'orbite deNeptune,alors la planète la plus éloignée du Soleil du fait de la forteexcentricitéde l'orbite dePluton.
• 31 mars 1997:fin de la mission.
• 17 février 1998:célèbre pour être jusqu’à cette date l'objet fabriqué par l'homme le plus éloigné de la Terre. À cette date, la distance au soleil de la sondeVoyager 1,en direction approximative de l'apex,a égalé celle dePioneer 10à 69,419ua.À partir de cette date, la vitesse d'éloignement deVoyager 1dépasse celle dePioneer 10d'environ 1,016uapar an.
• 2 mars 2002:réception réussie detélémesure.Trente-neuf minutes de données sont reçues depuis une distance de 79,83ua.
• 27 avril 2002:dernière réception réussie de télémesure. Trente-trois minutes de données sont reçues depuis une distance de 80,22ua(plus de 12 milliards de km).
• 23 janvier 2003:le dernier signal, très faible, en provenance dePioneer 10est reçu.
• 7 février 2003:tentative infructueuse de contact avec la sonde.
• 30 décembre 2005:Pioneer 10est à 89,7uaduSoleil.
• 4 mars 2006:dernière tentative d'entrer en contact avec la sonde, sans réponse.

Suite du programmePioneer

L'année même du lancement dePioneer 10,laNASAlance le développement de deux nouvellessondes spatialeschargées d'étudier avec des capacités accrues lesplanètes supérieuresduSystème solaire.Les sondes spatiales duprogrammeVoyagersont beaucoup plus lourdes: 800kgdont 100kgd'instrumentation scientifique contre les 270kgdes sondes spatialesPioneer(dont 30kgd'instruments scientifiques). Elles bénéficient des dernières avancées dans le domaine de la technologie spatiale: elles disposent d'unordinateur de bordqui permet l’exécution d'opérations complexes sans intervention des contrôleurs sur Terre et sontstabilisées sur trois axes,ce qui permet des prises d'images détaillées de grande qualité.Voyager 2exploite une conjonction des planètes supérieures exceptionnelle qui lui permet d'enchaîner le survol deJupiter,Saturne,UranusetNeptuneen utilisant l'assistance gravitationnellede chaque planète pour se diriger vers la suivante. Lancées en 1977, les deux sondes spatiales développées par leJet Propulsion Laboratoryfournissent des informations détaillées sur l'atmosphère de Jupiter,de Saturneetd'Uranus.Elles révèlent de nombreux détails sur la structure desanneaux de Saturne,permettent de découvrir lesanneaux de Jupiteret fournissent les premières images détaillées desanneaux d'Uranusetde Neptune.Elles identifient en tout 33 nouvelles lunes et mettent en évidence l'activité volcanique de la lune Ioet la structure étrange de la surface dusatellite galiléenEurope.Les sondesVoyager,qui devraient continuer à fonctionner jusqu'en 2025, explorent désormais les limites de l'héliosphère,région de l'espace placée sous l'influence du Soleil, et étudient lemilieu interstellaire.

Troisième sonde spatiale,Pioneer-H

Une troisième sonde spatiale, identique aux sondes spatialesPioneer 10etPioneer 11et baptisée «Pioneer-H», est construite. Lecentre de recherche Amesétudie en 1971 son utilisation dans le cadre d'une mission destinée à explorer lemilieu interplanétaireen quittant leplan de l'écliptique(Out-of-the-Ecliptic Mission). La sonde spatiale, lancée par un lanceur lourdTitanIIIE-Centaur,doit quitter le plan de l'écliptique en utilisant l'assistance gravitationnellede la planèteJupiteret se placer surorbite héliocentriqueavec uneinclinaison orbitalede92.5°.Sur sa nouvelle orbite, la sonde spatiale doit étudier les pôles duSoleilen passant à une unité astronomique du pôle nord et 2uadu pôle sud. Le projet, proposé par le centre de recherche Ames de la NASA en 1973, n'est pas retenu mais les études réalisées sont utilisées pour définir les caractéristiques et les objectifs de la missionGalileo.

Annexes

Bibliographie

• (en)Richard O. Fimmel, William Swindell et Eric Burgess,Pioneer Odyssey (SP-349/396),NASA,1977,171p.(lire en ligne)
• (en)Paolo Ulivi et David M Harland,Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982,Chichester, Springer Praxis,2007,534p.(ISBN978-0-387-49326-8)
• (en)AndreBalogh,Richard G.Marsdenet Edward G.Smith,The Heliosphere Near Solar Minimum: The Ulysses perspective,Chichester, Royaume-Uni, Springer Science & Business Media,coll.« Springer-Praxis Books in Astrophysics and Astronomy »,1^ermai 2001,411p.(ISBN1-85233-204-2et978-1-85233-204-4,présentation en ligne,lire en ligne).

Articles connexes

• ProgrammePioneer
• ProgrammeVoyager
• Pioneer 11

Liens externes

• (en)Site officiel de la mission Pioneer.
• (de)Pioneer 10+11,page consacrée aux sondes spatialesPioneer 10et 11, sur bernd-leitenberger.de.