Pioneer 3

Pioneer 3
Organisaatio Nasa
Valmistaja Jet Propulsion Laboratory
COSPAR ID 1958-008A
Tehtävätyyppi ohilento
Kohde Kuu
Laukaisu 6. joulukuuta 1958 klo 5.45 UTC
Cape Canaveral Air Force Station Lauch Complex 5
Laukaisualus Juno II
Kohteessa Ei päässyt kohteeseen, paloi ilmakehässä Tšadin yllä 7. joulukuuta 1958 klo 19.51 UTC.
Tehtävän kesto 38 tuntia ja 6 minuuttia
Massa 5,87 kg

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

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.

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

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

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

Pioneer 3:n laukaisualuksen vaiheet ja läpileikkauskuva luotaimesta (englanniksi)

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

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

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:

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

Teknikot tarkastavat Pioneer 3:a ennen sen lähettämistä Cape Canaveraliin

Pioneer 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

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:

»Vaikka laukaisun lopputulos oli pettymys, Van Allenin vyöhykkeen säteilymittausten tulokset, jotka saatiin, kun hyötykuorma palasi Maahan, olivat erittäin arvokkaita tämän energiakentän määrittelyssä.»
(William H. Pickering, 29. joulukuuta 1958)

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

Pioneer 3:n tieteelliset tulokset liittyen säteilyyn avaruudessa ja Van Allenin ulomman vyöhykkeen löytyminen lisäsivät entisestään tieteellistä kiinnostusta Van Allenin vyöhykettä kohtaan.

Vuoden 1959 alussa James Van Allen ja hänen kollegansa Iowan osavaltionyliopistosta, George Ludwig, vaativat, että Pioneer 3:n Geiger–Müller-putket asennettaisiin Pioneer 4:n kameran tilalle, jotta saataisiin lisää tietoa Van Allenin vyöhykkeestä ja voitaisiin tarkentaa jo saatuja tietoja Van Allenin vyöhykkeestä. Muutos lopulta hyväksyttiin. Ainoa ero Pioneer 3:n ja 4:n Geiger–Müller putkissa oli Pioneer 4:än lisätty lyijysuoja toisen Geiger–Müller putken ympärille.

Paikannusjärjestelmä

DSS 11 vuonna 1958

Jet Propulsion Laboratoryn vastuulla oli suunnitella ja valmistaa uusi paikannusjärjestelmä Pioneer 3:lle ja -4:lle, koska JPL:n aikaisempi Explorer-satelliittien käyttämä Microlock-järjestelmän kantama ei riittänyt luotainten vaadituille etäisyyksille Maasta. JPL:n uuden paikannusjärjestelmän nimeksi tuli Tracking and Communication (Extraterrestial) eli TRAC(E). Se toimi 960,05 MHz:n taajuudella.

Pioneer 3:a paikannettiin JPL:n vuonna 1958 valmistuneella 26-metrisellä antennilla Goldstonesta, Mojaven aavikolta, Kaliforniasta. Antennia kutsutaan nimillä Pioneer Station ja Deep Space Station 11 eli DSS 11. Antenni oli ensimmäinen osa Nasan Deep Space Networkia. Ensisijaiseen kokoonpanoon kuului lisäksi maa-asemat Cape Canaveralissa ja Puerto Ricon Mayagüezissa sekä Kalifornian Pasadenassa ja Cape Canaveralissa sijainneet viestintäkeskukset.

Pioneer 3:n ja 4:n tiedonkäsittelykeskus Kalifornian Pasadenassa

Maa-asemat lähettivät dataa luotaimesta Pasadenassa sijainneeseen tiedonkäsittelykeskukseen, joka käytti IBM 704 -tietokonetta datankäsittelyyn. Kalifornian Santa Monicassa sijainnut RAND Corporationin IBM 704 tietokone toimi tiedonkäsittelykeskuksen varajärjestelmänä.

Lähteet

Viitteet

  1. 1 2 3 4 Eimer, Manfred & Stevens, Robertson: External Publication No. 701: Tracking and data handling systems for Pioneer III space probe and Pioneer IV lunar probe firings (PDF) Jet Propulsion Laboratory. 14.8.1959. NASA Technical Reports Server. Arkistoitu 14.9.2025. Viitattu 31.8.2025. (englanniksi)
  2. 1 2 3 Cargill 1977, s. 3–6
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 LePage, Andrew: Pioneer 3: JPL’s First Moonshot Attempt Drew Ex Machina. 6.12.2022. Arkistoitu 14.9.2025. Viitattu 23.3.2025. (englanniksi)
  4. 1 2 Brockman, M. H., Buchanan, H. R., Choate, R. L. & Malling, L. R.: External Publication No. 808: Extraterrestrial Radio Tracking And Communication 11.12.1959. Jet Propulsion Laboratory. Viitattu 31.8.2025. (englanniksi)
  5. 1 2 3 Pioneer 3 - NASA Science science.nasa.gov. Arkistoitu 14.9.2025. Viitattu 23.11.2024. (englanniksi)
  6. 1 2 3 Pioneer III News Release NASA Technical Reports Server. 6.12.1958. 1520 H Street NW, Washington. Viitattu 7.9.2025. (englanniksi)
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NSSDCA – Pioneer 3 Nasa. Arkistoitu 6.8.2025. Viitattu 22.3.2025. (englanniksi)
  8. 1 2 3 4 Curtis, H. & Schneiderman D.: Pioneer III and IV Space Probes. IRE Transactions on Military Electronics, 1960, 4. vsk, nro 2/3. Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi:10.1109/IRET-MIL.1960.5008211 ISSN 0096-2511 E-ISSN 2331-1630 (englanniksi)
  9. 1 2 3 LePage, Andrew J.: Shooting for the Moon. SpaceViews, 1. tammikuuta 1999. Artikkelin verkkoversio. (PDF) Viitattu 8.4.2025. Arkistoitu 14.9.2025. (englanniksi)
  10. 1 2 3 4 The Moon Probe Pioneer IV Jet Propulsion Laboratory. 1959. Iowa Digital Library. Viitattu 28.9.2025. (englanniksi)
  11. 1 2 Richter 1966, s. 35
  12. 1 2 NSSDCA – Pioneer 3 – Geiger Counters Nasa. Arkistoitu 11.8.2025. Viitattu 6.9.2025.
  13. 1 2 3 4 Josias, Conrad S.: Radiation Instrumentation Electronics for the Pioneers III and IV Space Probes. Proceedings of the IRE, huhtikuu 1960, 48. vsk, nro 4. Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi:10.1109/JRPROC.1960.287476 ISSN 0096-8390 E-ISSN 2162-6634 Artikkelin verkkoversio. (PDF) (englanniksi)
  14. 1 2 Pioneer 3 Jet Propulsion Laboratory. Arkistoitu 14.9.2025. Viitattu 30.8.2025. (englanniksi)
  15. 1 2 Cargill 1977, s.10
  16. ↑ National Register of Historic Places Inventory – Nomination Form National Park Service. Arkistoitu 14.9.2025. Viitattu 1.9.2025. (englanniksi)

Aiheesta muualla

Artikkelit

Pioneer-ohjelma