Pioneer 3 (myös Pioneer III) oli joulukuussa 1958 laukaistu Pioneer-ohjelman ja Operaatio Monan neljäs kuuluotain. Sen laukaisi Yhdysvaltain maavoimien Army Ballistic Missile Agency ja Nasa Juno II -kantoraketilla. Luotaimen valmisti Jet Propulsion Laboratory. Pioneer 3:n oli tarkoitus lentää Kuun ohi aurinkokeskeiselle kiertoradalle, mutta se pääsi ainoastaan noin 100 000 kilometrin korkeuteen ennen kuin se paloi ilmakehässä Afrikan yllä seuraavana päivänä. Kuitenkin Pioneer 3 lähetti uutta dataa Van Allenin vyöhykkeistä, jotka ympäröivät Maata.
Tausta
Pickeringin suunnitelma: Project Red Socks vasen|pienoiskuva|Jet propulsion Laboratoryn entinen johtaja, William Pickering Jet Propulsion Laboratoryn (JPL) johtaja William Pickering esitti lokakuussa 1957 muutaman kollegansa kanssa ehdotuksen nimeltä Project Red Socks. Neuvostoliiton Sputnik 1 oli laukaistu kolme viikkoa aiemmin, ja ehdotuksen mukaan Yhdysvallat vastaisi Neuvostoliiton saavutukseen avaruuskilvassa lähettämällä JPL:n avaruusluotaimen Kuuhun. Yhdysvaltain oli perusteluiden mukaan ”välttämätöntä” palauttaa ”asemansa maailman silmissä tuottamalla merkittävää teknologista edistystä Neuvostoliittoon nähden” avaruustoiminnassa. Pickering halusi Yhdysvaltain puolustusministeriön hyväksyvän, että Jet Propulsion Laboratory aloittaisi välittömästi yhdeksän rakettilennon sarjan Kuuhun.Cargill 1977, s. 3–6
Ehdotus ei edennyt puolustusministeriössä, kunnes vuoden 1958 alussa se siirtyi Advanced Research Projects Agencyn (ARPA) käsittelyyn. ARPAn silloinen johtaja Roy Johnson halusi innokkaasti ”ylittää Neuvostoliiton kaikin mahdollisin keinoin”.
Operaatio Mona Yhdysvaltain puolustusministeri Neil McElroy ilmoitti 27. maaliskuuta 1958 Yhdysvaltain laukaisevan viisi kuuluotainta osana kansainvälistä geofysiikaan vuotta. Hanke oli nimeltään Operaatio Mona. Hän julisti ARPAn avaruusohjelman edistävän avaruuslentoteknologiaa ja ”määrittävän kyvykkyytemme tutkia Kuun lähiavaruutta, hankkia hyödyllistä tietoa Kuusta ja antaa lähikuva Kuusta”. Hanke koostui kolmesta Yhdysvaltain ilmavoimien toteuttamasta ja kahdesta Army Ballistic Missile Agencyn (ABMA) kuuluotaimesta. Jet Propulsion Laboratoryn vastuulla oli suunnittella ja valmistaa maavoimien kuuluotaimet, luotainten mittalaitteisto, paikannusjärjestelmä sekä luotainten kantorakettien ylemmät vaiheet.
2. toukokuuta 1958 ABMA teki JPL:lle virallisen sopimuksen neljän kuuluotaimen valmistamiseksi, joista kaksi laukaistaisiin lennoilla Juno IIA ja Juno IIA-Prime.
Matka vasen|pienoiskuva|Pioneer 3:a valmistellaan asennettavaksi Juno II:een
Ennen laukaisua Laukaisualuksen ensimmäinen vaihe oli marraskuun lopussa laukaisualustallaan Cape Canaveralissa. 1. joulukuuta kello 8.00 paikallista aikaa ensimmäisen vaiheen päälle lisättiin raketin instrumenttiyksikkö ja kolme ylempää vaihetta.
Kun viimeiset laukaisua edeltävät kokeet olivat suoritettu, lähtölaskenta aloitettiin 5. joulukuuta kello 12.40 paikallista aikaa.
Laukaisu ja lento pienoiskuva|Pioneer 3:n laukaisu 6. joulukuuta 1958 Juno II -kantoraketilla Pioneer 3 laukaistiin 6. joulukuuta 1958 kello 05.45 UTC Juno II -kantoraketilla Cape Canaveralin viidennestä laukaisukompleksista. Juno II:n ensimmäisen vaiheen rakettimoottori sammui 3,7 sekuntia liian aikaisin, minkä takia toista vaihetta sytyttäessä nopeus oli 382 metriä sekunnissa liian vähän. Pienet poikkeamat kolmen ylemmän vaiheen polton aikana johtivat siihen, että Pioneer 3:n lentorata oli 1,1° matalampi ja 4,6° etelämpänä kuin suunniteltu. Näiden seurauksena laukaisualus ei saavuttanut Maan pakonopeutta, kuten Yhdysvaltain ilmavoimien edeltävät Pioneer-luotaimet.
Seurantasyritykset, palaminen ilmakehässä ja lennon tulokset Koska luotain oli väärällä lentoradalla, eikä se saavuttaisi maan pakonopeutta, Pioneer 3:sta alettiin kiireesti hankkia kaikki mahdolliset tekniset ja tieteelliset tiedot, jotta laukaisusta saataisiin jotain irti.
Yhdysvaltain ilmavoimien Millstone Hill -antenni Westfordissa Massachusettsissa seurasi luotainta hetken aikaa, muttei saanut mitään tietoa siitä. Jodrell Bankin radioteleskooppi Machesterin lähellä Englannissa seurasi Pioneer 3:a osan sen lennosta, mutta kärsi väliaikaisesta laiteviasta. Lisäksi Yhdysvaltain ilmavoimien Havaijin antenni yritti seurata luotainta. Lopulta Goldstonessa sijainnut antenni sai luotaimen seurantaansa.
Pioneer 3 saavutti 102 360 kilometrin korkeuden, jonka jälkeen se palasi takaisin ja paloi ilmakehässä nykyisen Tšadin yllä 7. joulukuuta 1958 kello 19.51 UTC 38 tuntia ja 6 minuuttia laukaisusta noin 90 kilometrin korkeudessa. Luotain palasi ilmakehään yli 37 000 km/h nopeudella.
Pioneer 3:n varhaiset telemetriatiedot osoittivat, ettei luotaimen pyörimisen hidastamisjärjestelmä toiminut tarkoitetulla tavalla, minkä vuoksi luotain ei hidastanut pyörimistään laukaisun jälkeisestä 415 kierroksesta minuutissa tehtävän edellyttämään 11 kierrokseen minuutissa. Luotaimen sisäinen lämpötilansäätöjärjestelmä toimi suunnitellusti ja luotaimen sisälämpötila oli 43 celsiusastetta.
Laukaisualus vasen|pienoiskuva|Pioneer 3:n laukaisualuksen vaiheet ja läpileikkauskuva luotaimesta Pioneer 3 laukaistiin nelivaiheisella Juno II -kantoraketilla, joka oli koottu Jupiter IRBM:n muunnetuista osista ja Juno I:n käyttämistä raketin osista. Pioneer 3:n ja 4:n pieni koko johtui Juno II:n vähäisestä hyötykuormakapasiteetista. 55 tonnia painava kantoraketti suunniteltiin sijoittamaan 43 kilogramman hyötykuorman 480 kilometrin korkeuteen Maan kiertoradalle tai viemään 7 kilogramman hyötykuorman pois Maan painovoimakentästä.
Ensimmäinen vaihe pienoiskuva|Ensimmäisen vaiheen Rocketdyne S3D-rakettimoottori Juno II:n ensimmäistä vaihetta eli ABMAn Jupiter IRBM:n polttoaine- ja nestehappisäiliöitä pidennettiin 0,92 metriä. Raketin pituus kasvoi 16,84 metriin ja Jupiterin Rocketdyne S3D -rakettimoottorin polttoaika pidentyi 20 sekunnista 182 sekuntiin. Ensimmäinen vaihe käytti polttoaineenaan RP-1:tä. Kantoraketin oli valmistanut ABMAn Development Operations Division Wernher von Braunin johdolla.
Ylemmät vaiheet pienoiskuva|Juno II:n ylemmät vaiheet. Kuvassa näkyy raketin toisen vaiheen 11 Sergeant-rakettimoottoria. Toinen vaihe ympäröi kolmatta vaihetta. Raketin ensimmäisen vaiheen yläpuolella olivat instrumenttiyksikkö ja raketin kolme ylempää vaihetta, jotka olivat JPL:n valmistamia. Niitä oli käytetty ennen Juno I- ja Jupiter C -kantoraketeissa.
Toinen vaihe koostui yhteensä 11 Sergeant-rakettimoottorista, jotka olivat aseteltu kehän muotoon. Kolmas vaihe koostui kolmesta kehän muotoon asetetusta Sergeant-moottorista ja neljäs vaihe yhdestä Sergeant-rakettimoottorista. Kolmatta ja neljättä vaihetta oli muokattu vaihtamalla niiden alkuperäinen polttoaine tehokkaampaan. Neljännen vaiheen alkuperäinen ruostumattomasta teräksestä valmistettu kuori vaihdettiin kevyempään titaanista valmitettuun kuoreen.
Juno II:n lasikuitupinnoitetusta alumiinista valmistettu nokkakartio peitti luotaimen ja raketin ylemmät vaiheet.
Tehtävät Pioneer 3:n tehtävinä olivat:Richter 1966, s. 35
mitata säteilyä Van Allenin vyöhykkeen ulommalla alueella. testata Kuun kuvaamiseen tarkoitetun kameran laukaisumekanismin toimivuutta. Luotaimen tarkoituksena oli lentää Kuun ohi aurinkokeskeiselle kiertoradalle.
Rakenne
Suunnittelu Pioneer 3:n ja 4:n suunnitteluun vaikutti useita merkittäviä teknisiä rajoitteita. Luotainten paino oli rajoitettu 6,8 kilogrammaan käytettävissä olevan laukaisualuksen ja edellytetyn lentoradan vuoksi. Lisäksi laukaisualuksen ylempien vaiheiden käynnistys aiheutti luotainten rakenteen suunnittelulle merkittäviä teknisiä rajoitteita. Ylempien vaiheiden käynnistyksen aikana luotain kokisi enintään 85 G:n suoraviivaista kiihtyvyyttä, 600 kierroksen minuutissa pyörimisnopeutta, voimakkaita iskuja ja tärinää.
Rakenne pienoiskuva|Teknikot tarkastavat Pioneer 3:a ennen sen lähettämistä Cape Canaveraliin|vasenPioneer 3:n runko oli kartion muotoinen. Sen kärjessä oli antenni ja sylinterin muotoisessa pohjassa rakettimoottori. Luotaimen kokonaiskorkeus oli 58 senttimetriä. Kartio oli 30,5 senttimetriä korkea, ja sen halkaisija oli suurimmillaan 23,5 senttimetriä. Kartion päällä oli ohut lasikuitusuoja, joka oli päällystetty hopealla ja kullalla, mikä teki siitä sähköä johtavan, ja maalattu valkoisilla raidoilla, jotta luotaimen lämpötila pysyisi 10–50 celsiusasteen välillä. Luotaimen kärjessä oli 7,5 senttimetrin pituinen antenni, joka yhdessä kartion kanssa toimi antennina. Pioneer 3 sai virtansa 18 Mallory RM-42R -elohopeaparistosta, jotka olivat asennettu kehän muotoon luotaimen pohjaan. Kartion keskellä oli jännitteensyöttöputki ja kaksi Geiger–Müller-putkea. Pioneer 3 painoi 5,87 kilogrammaa.
Luotaimella oli 500 gramman painoinen kideoskillaattorilähetin, joka lähetti 0,1 watin vaihemoduloitua signaalia 960,05 MHz:n taajuudella.
Vaikka Jet Propulsion Laboratory valmisti luotaimen, monet tutkimusryhmät ja teolliset alihankkijat vaikuttivat projektin onnistumiseen toimittamalla edistyksellisiä komponentteja, polttoainetta sekä ohjaus- ja seurantalaitteita.
Pioneer 3:lle suunniteltu kamerajärjestelmä Alun perin Pioneer 3:lla oli tarkoitus olla mukana kamera, jolla voitaisiin ottaa yksi kuva Kuun Maahan näkymättömästä puolesta Kuun ohilennon aikana. Syyskuuhun 1958 mennessä kamerajärjestelmän suunnittelu oli saatu päätökseen ja sen osat olivat kehitysvaiheen testauksessa. Kun ensimmäiset Explorer-satelliitit löysivät vuonna 1958 maata ympäröivän Van Allenin vyöhykkeen, JPL vahtoi kameran kahteen Geiger–Müller-putkeen, joilla kerättäisiin tietoa Maan ja Kuun välisestä säteilystä.
Kameran valosähköinen sensori säilytettiin luotaimessa. Se oli varustettu kahdella valokennolla, jotka laukeaisivat Kuun valon osuessa niihin luotaimen ollessa noin 30 000 kilometrin korkeudessa Kuun pinnasta. Sensorin tarkoitus oli antaa merkki kameralle ottaa kuva Kuusta. Sensori sijaitsi luotaimen pohjassa, elohopeaparistojen keskellä.
Luotaimella oli myös mukana kameraa varten suunniteltu mekanismi, joka hidastaisi luotaimen pyörimisnopeutta 400 kierroksesta minuutissa kuuteen kierrokseen, jotta kamera voisi ottaa tarkan kuvan Kuusta. Vaikka kamera vaihdettiin Geiger–Müller-putkiin, valosähköisen sensorin tapaan mekanismi säilytettiin luotaimessa. Mekanismi koostui kahdesta 6 gramman painoista, jotka kelautuivat kahden 150 cm nikromivaijerin päähän, kun ne laukaistiin ajastimella kymmenen tunnin jälkeen laukaisusta.
Tutkimuslaitteisto Pioneer 3:n tutkimuslaitteistona oli kaksi Anton 302- ja Anton 213 -tyypin Geiger–Müller-putkea, joilla tutkittiin säteilyä avaruudessa. Toista putkea käytettiin tavallisena hiukkaslaskurina, kun taas toista putkea käytettiin keskimääräisen virtapulssin ilmaisimena. Pioneer 3:n tutkimuslaitteiston päätutkija oli James Van Allen, minkä mukaan nimettiin Van Allenin vyöhykkeet. Van Allen oli suunnitellut Geiger–Müller-putket. Luotaimen tutkimuslaitteisto olivat JPL:n ja Iowan osavaltionyliopiston vastuulla.
Tieteellinen anti pienoiskuva|Pioneer 3 löysi ja kartoitti ulomman Van Allenin vyöhykkeen (kuvassa turkoosilla) Vaikka Pioneer 3 paloi ilmakehässä, sen kaksi Geiger–Müller-putkea havaitsivat Van Allenin ulomman vyöhykkeen olemassaolon 16 000–64 000 kilometrin korkeudessa ja kartoittivat sen. Luotain sai selville Van Allenin vyöhykkeiden syvyyden ja muodon. William Pickering totesi 29. joulukuuta 1958 kansainvälisen geofysiikan vuoden konferenssissa esitetyssä kirjoituksessa Pioneer 3:n keräämän datan tuloksista:
Pioneer 3:n lopullisen lentoradan seurauksena Van Allenin vyöhykkeiden mittaustulokset olivat lopulta kattavampia, kuin jos luotain olisi lentänyt sen alkuperäistä lentorataa Kuun ohi, koska dataa vyöhykkeistä saatiin myös luotaimen lentoradan paluuvaiheessa.
Tulosten seuraukset