Pioneer 10
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Sonda interplanetária norte-americana, a Pioneer 10 foi uma missão interplenatária desenvolvida a partir do Pioneer Program que consistiu no desenvolvimento e gestão de 8 missões interplanetárias (Pioneer 6, 7, 8, 9, 10, 11, Venus Orbiter e Venus Multiprobe). Também conhecida como Pioneer F, foi desenhada, juntamente com a Pioneer 11 (ou G) para o cumprimento dos objectivos definidos no Pioneer Jupiter Mission.
Devido às características das orbitas da Terra e de Júpiter, cada 13 meses surge uma janela de lançamento que permite uma viagem interplanetária mais económica em termos energéticos (menos carburante e como tal, menos peso), foi definido que se iriam construir duas sondas idênticas a serem lançadas com um intervalo de 13 meses. A primeira (a Pioneer 10) a ser lançada em 1972 e a segunda (a Pioneer 11) a ser lançada em 1973. O programa foi aprovado em Fevereiro de 1969 definindo, a partida, três grandes objectivos para a missão:
- Explorar o meio interplanetário para além da orbita de Marte;
- Investigar a cintura de asteróides e verificar os perigos que este representa para as sondas nas missões para além da orbita de Marte, e
- Explorar o sistema de Júpiter.
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[editar] Desenho da Missão
O desconhecimento à data, das implicações e restrições às missões interplanetárias provocadas pela cintura de asteróides, levavam à construção de uma missão com redundâncias ao nível do hardware. Assim, a sonda Pioneer 11 teria a capacidade de alterar a sua trajectória no decurso da análise da informação fornecida pela Pioneer 10 a quando da sua passagem pela cintura de asteróides. O principal perigo colocado pelos pequenos corpos em orbita entre Marte e Júpiter era a de colisão (fosse ela uma micro-colisão ou uma macro-colisão) que afectasse ou mesmo impedisse uma trajectória directa Terra-Júpiter através do plano da eclíptica. As sondas teriam de conseguir ser colocadas no espaço a uma velocidade de, pelo menos, 50.000 km/h partindo directamente para Júpiter sem ter de passar por uma orbita de espera. A viagem teria de durar entre 600 e 750 dias. Foi, também, prevista a possibilidade de as sondas terem de manobrar no decurso da viagem e de operar, em períodos específicos, autonomicamente. Estas necessidades advinham do facto de ser necessário ajustar as sondas favoravelmente à chegada a Júpiter (para melhor observação do planeta e dos seus satélites) e ao facto de, ao longo do curso da viagem as sondas encontrarem-se, por um breve período, atrás do Sol e como tal, perderem o contacto via rádio com a Terra. A trajectória definida significava que as sondas iriam percorrer cerca de 1000 milhões de km.
A janela de lançamento da Pioneer 10 foi definida entre finais de Fevereiro e finais de Março, com uma chegada a Júpiter entre meio de Outubro de 1973 e finais de Julho de 1974.
A missão da primeira sonda, deveria responder a algumas questões científicas e de engenharia percebidas como fundamentais. A trajectória dentro do sistema Joviano seria a de sobrevoo (isto é, a sonda não entraria em órbita em torno de Júpiter) e deveria medir a intensidade do campo magnético do planeta, os níveis de radiação. Esta informação era de enorme importância e foi definido que, mesmo que isso implicasse a perda da sonda, o sobrevoo de Júpiter teria de ser suficientemente próximo para a obtenção de resultados definitivos. Assim, a obtenção de imagens, apesar de se manter como um dos objectivos primários, foi relegada para a fase de aproximação. A sonda deveria passar a 150.000 km da superfície do planeta (ou seja, a 3 Rj). Devido à sua capacidade de manobrar, foi definido que na fase de aproximação, seria verificado o interesse de alteração à trajectória para estudo, em maior proximidade, de um dos satélites galileanos.
A missão da Pioneer 10 não terminaria com o sobrevoo de Júpiter. Teria ainda a missão de testar a técnica de acelaração gravítica, por forma a verificar a possibilidade de utilização dessa técnica que poderia ser implementada pela Pioneer 11 numa tentativa de seguir em missão para Saturno.
Outro dos objectivos primários da Pioneer 10, seria o teste das técnicas de controlo de navegação interplanetária. Devido às restrições ao nível do peso e do espaço, a sonda teria de depender de comandos enviados da Terra para a sua navegação. Duas das quatro fases do voo implicavam elevada performance por parte da equipa de comando: a fase de lançamento e a fase de aproximação a Júpiter. Assim, foram definidos e criados novos protocolos e instrumentos por forma a reduzir o risco e aumentar a capacidade de resposta a situações imponderáveis. A experimentação destas técnicas iria ser de extrema importância para as projectadas futuras missões interplanetárias.
[editar] A Sonda
Devido à necessidade de se atingir uma elevada velocidade à saída da orbita da Terra, a escolha do veículo lançador recaiu sobre o Atlas-Centaur restringindo assim as dimensões da sonda a um máximo de 3 metros.
A estructura da sonda está centrada em torno de um pequeno compartimento hexagonal que contém os componentes necessários ao funcionamento da sonda, bem como, os instrumentos científicos. Ligado a este compartimento, está ligada a antena parabólica de alto ganho de 2,75 cm de diâmetro e construída em alumínio. Sobre a antena está a estrutura tripode da antena de médio ganho.
Ainda ligados à estrutura central, três vigas triangulares posicionadas a intervalos de 120 graus, mantêm os geradores nucleares de energia eléctrica (dois) e o sensor do magnetrómetro. As vigas apenas seriam extendidas após a separação da sonda do seu lançador.
A orientação da sonda é efectuada a partir da informação obtida por três sensores. Dois sensores de localização do Sol e um sensor para localização da estrela Canopus. Estes sensores providenciam informação relativamente à atitude da sonda na sua trajectória para Júpiter. A atitude e velocidade da sonda eram controlados por três pares de propulsores a jacto. Cada par de propulsores tinham queimadores orientados em direcções opostas. Os propulsores eram utilizados para manter a sonda em rotação sobre o seu próprio eixo (4,8 rotações por minuto) e para alterar a velocidade da sonda.
A sonda comunica com a Terra através de duas antenas (uma de alto ganho e outra omnidireccional de médio ganho) ligadas a dois receptores independentes de 8 watts. Em caso de falha de um sistema, o outro entra em operação imediatamente e automaticamente. As comunicações com entre a Terra e a sonda são realizadas através do sistema de antenas da NASA Deep Space Network. O sistema de propulsão coloca o eixo de rotação da sonda sempre virado para a Terra. Desta forma a antena parabólica de alto ganho está sempre a apontar para as antenas de recepção e transmissão na Terra.
Esquema geral das sondas gémeas Pioneer 10 e Pioneer 11 enquadradas na Pioneer Jupiter Mission A Pioneer 10 está equipada com sistemas de controlo do ambiente (temperatura) dentro dos seus compartimentos devido ao facto de os seus intrumentos científicos não estarem desenhados para operar em temperaturas extremas (muito baixas ou muito altas). Esse controlo permitia que os instrumentos operassem a uma temperatura entre os 23° e os 38°.
Para fornecimento de energia, a sonda contava com dois pares de geradores termoelectricos de radioisotopos (RTG na sigla inglesa) utilizando Plutónio-238. Esses geradores, já em utilização em satélites meteorológicos, desenvolviam globalmente cerca de 155 W de potência no início da missão e cerca de 140 W à chegada a Júpiter. As necessidades da sonda rondam os 100 W (25W para os instrumentos científicos). O excesso de potência produzida ou é libertado sob forma de calor ou é utilizado para carregar baterias de protecção aos sistemas internos.
Para levar a cabo os objectivos da missão, a sonda estava equipa com instrumentos que permitiriam medir partículas, campos e radiações, obter imagens do planeta e seus satélites e observar e quantificar as alterações à sua trajectória provocadas pelos corpos do sistema joviano, desta forma permitindo o melhor conhecimento das massas e densidades dos vários corpos. Para isso a sonda ia equipada com dois magnetómetro, um analisador de plasma, um detector de radiação capturada, um radiómetro de infra-vermelhos, um sensor para a detecção de asteróides e uma placa sensora de impactos de meteorítos, um telescópio de raios cósmicos e outros instrumentos para captação de imagens.
[editar] Experiências
A missão Pioneer Jupiter iria desenvolver dois tipos de experiências. Primeiramente iria desenvolver um conjunto de experiências relativas ao meio interplanetário, seguidamente, e após a sua chegada ao sistema joviano, iria desenvolver experiências relativas ao planeta Júpiter e aos seus satélites. Assim, foram desenvolvidas oito experiências a serem postas em prática no decurso da viagem interplanetária (entre Marte e Júpiter e após Júpiter):
- Mapear o campo magnético do meio interplanetário;
- Verificar as alterações do vento solar al longo das diversas distâncias analisadas;
- Medir os raios cósmicos originários do Sistema Solar e fora dele;
- Estudar as interacções entre o campo magnético interplanetário com o vento solar e os raios cósmicos;
- Estudar a heliosfera;
- Medir as quantidades de hidrogénio não ionizado no meio interplanetário;
- Medir as quantidades de particulas, e
- Estudar a cintura de asteróides.
Relativamente ao sistema do planeta Júpiter, a missão iria:
- Mapear o campo magnético do planeta;
- Mapear as energias dos protões e electrões ao longo da trajectória da sonda pelo sistema;
- Verificar a existência de auroras;
- Obter informação sobre as causas para a radiação rádio de Júpiter;
- Mapear a interação entre o campo magnético de Júpiter e o vento solar;
- Medir a temperatura da atmosfera de Júpiter;
- Determinar a composição e estrutura das altas camadas da atmosfera de Júpiter;
- Mediar a estrutura térmica de Júpiter;
- Obtenção de imagens do sistema;
- Sondar a atmosfera de Júpiter com ondas de rádio na altura da ocultação. Realizar o mesmo em Io;
- Investigar as características físicas e químicas dos satélites de Júpiter;
- Calcular as massas com maior precisão de Júpiter e dos quatro maiores satélites, e
- Fornecer informação mais precisa para o cálculo das efemérides dos principais corpos do sistema.
[editar] Resultados
A 2 de Março de 1972 um lançador Atlas-Centaur colocou a sonda numa trajectória em direcção de Júpiter (adquirindo nesse momento a sua designação definitiva de Pioneer 10) a uma velocidade de 51.680 km/h (na altura, representava a mais elevada velocidade de qualquer artefacto feito pelo homem). Após a sua separação do andar Centaur, a sonda articula as vigas de suporte dos RTG para a sua posição final. Apenas 11 horas após o seu lançamento, a Pioneer 10 passa pela orbita da Lua e inicia a ligação sequencial dos vários instrumentos a bordo. Devido a uma orientação desfavorável que coloca o Sol a incidir sobre o compartimento dos instrumentos, a sonda não pode orientar a antena parabólida directamente para a Terra.
A 15 de Julho de 1972 a sonda atinge a cintura de asteróides passando a mais de 8 milhões de km do asteróide Nike de 24 km de diâmetro. Os cálculos de probabilidade para uma passagem sem incidentes era de 9:1. Durante a viagem, a Pioneer 10 teve a oportunidade de estudar uma tempestade solar em correlacção com as outras sondas Pioneer que se encontravam em orbita do Sol (Pioneer 6, 7, 8 e 9).
Em Fevereiro de 1973, a Pioneer 10 dá por completa a passagem pela cintura. Após o sucesso da passagem, é determinado que a Pioneer 11 irá seguir uma trajectória semelhante, sendo lançada a 5 de Abril de 1973.
A 6 de Novembro de 1973, a Pioneer 10 inicia a captação de imagens de teste e a 3 de Dezembro passa a 130.000 km da superfície de Júpiter. A acelaração gravítica de Júpiter acelera a velocidade da sonda para 132.000 km/h. A precisão do voo interplanetário permitiu que a sonda atingisse o ponto máximo de aproximação a Júpiter com uma antecipação de apenas 1 minuto em relação ao projectado. Quando atingiu a distância de 500.000 km da superfície de Júpiter as imagens obtidas começam a ter melhor definição do que as melhores até então conseguidas através dos instrumentos na Terra. As imagens eram captadas através de filtros azuís e vermelhos. Através de técnicas de extrapolação, cria-se uma terceira imagem verde. A combinação das três imagens permitia a criação de uma imagem a cores reais.
Com a passagem pelo periapsis (ponto mais próximo de um orbita ou trajectória) os instrumentos começam a ressentir-se das elevadas doses de radiação a que estão sujeitos pelo campo magnético de Júpiter. Pouco após, a sonda entra em ocultação por de trás de Júpiter cortando todas as comunicações com a Terra.
Após a passagem por Júpiter, a sonda segue numa trajectória que a levará para fora do sistema solar. Passa em 1976 pela orbita de Saturno, em 1980 a orbita de Urano e em 1983 a de Plutão.
O último sinal recebido pela Pioneer 10 foi em 23 de Janeiro de 2003
Em Outubro de 2005 a Pioneer 10 encontrava-se a uma distância do Sol de 89,1 UA (Unidades Astronómicas) afastando-se do Sol a uma velocidade de 12,2 km/s.
A validação das tecnologias e protocolos envolvidos permitiram e abriram caminho ao desenvolvimento do projecto Mariner Jupiter-Saturn Mission que em 1977 lançou duas sondas para Júpiter e Saturno com as designações de Voyager 1 e Voyager 2.
[editar] Ligações Externas
[1] Documento com a descrição das missões Pioneer 10 e 11 (em inglês)
[2] Página da NASA sobre as missões Pioneer 10 e 11 (em inglês)
