Pioneer-5

Questa missione ha un'importanza particolare perché deve essere considerata la prima di tipo interplanetaria. Infatti un veicolo spaziale automatico costruito dall'uomo (sonda) ha navigato nello spazio fino a "sfiorare" l'orbita di un altro pianeta, Venere nella fattispecie.

LA "NASCITA" DELLA MISSIONE

Nel Novembre 1958, il JPL programmò di esplorare Venere con due rapidi "incontri ravvicinati" [fly-by] da parte di due piccole sonde della classe Pioneer. La finestra di lancio si sarebbe aperta nel Giugno 1959. In circa centocinquanta giorni di viaggio le due sonde potevano arrivare nei pressi del misterioso pianeta. Ma ci furono vari imprevisti: 1. venne approvato il programma Vega che però prevedeva l'esplorazione nel 1961; 2. la Nasa decise di concentrarsi sul nuovo programma Atlas-Able; 3. il vettore di lancio non era ancora disponibile. Così il progetto della doppia esplorazione venusiana svanì. Quindi l'ottimale finestra di lancio del 3 e 4 Giugno 1959 sarebbe trascorsa con il rischio che i sovietici potessero sfruttarla. L'agenzia spaziale americana ridefinì la missione perché Venere — considerata un bersaglio ad alta visibilità — doveva essere in qualche modo esplorata. Una sonda meno pesante, da lanciare con un razzo Thor–Able (poco potente ma subito disponibile) era la soluzione ideale. Non sarebbe servito nemmeno costruire una navicella ex novo: bastava "alleggerire" e semplificare un satellite artificiale tipo l'Explorer 6 (lanciato il 07.08.1959).

La gestione della missione fu affidata all'Ames Center della Nasa mentre il Goddard Space Flight Center e gli STL [Space Technology Laboratories, ‘‘Laboratori di Tecnologia Spaziale’’] si sarebbero occupati della costruzione e progettazione del veicolo spaziale. Praticamente c'era da intraprendere un viaggio di almeno 300 milioni di km; ma nello spazio, l'implacabile e continuo irraggiamento solare avrebbe investito il veicolo spaziale. Almeno un satellite artificiale terrestre poteva godère di un'"eclisse" ad ogni orbita. Inoltre nessuna navicella aveva mai trasmesso da più di 654.389,83 km [clicca qui]. La Nasa disponeva di una specie di "rete" per le telecomunicazioni con lo spazio profondo che però aveva una portata di appena 12 milioni di km. L'invio comandi/ricezione dati furono affidati al radiotelescopio inglese di Jodrell Bank, dotato di un'antenna dal diametro di 76,2 metri. Già nella missione del Pioneer-4 l'antenna dell'Università di Manchester aveva offerto la sua collaborazione. Comunque la Nasa poteva utilizzare una stazione ricevente a South Point nell'isole Hawaii.

I ritardi nella progettazione della sonda fecero esaurire i sei mesi di tempo all'inizio previsti. Nemmeno per il 3 Ottobre 1959 la navicella sarebbe stata pronta per una semplice missione d'esplorazione lunare. Per fortuna della Nasa i sovietici preferirono aspettare la successiva finestra di lancio del Gennaio-Febbraio 1961 per inviare le loro sonde verso Venere. Anche se non era più possibile incrociare il "bersaglio ad alta visibilità", la Nasa pensò d'inserire comunque la piccola sonda (denominata nel frattempo Able-6) in un'orbita solare fra Venere e la Terra.

Il target era quello di arrivare a 11 milioni di km dall'orbita venusiana anche se il pianeta naturalmente sarebbe stato da tutta altra parte. Altri obiettivi della missione erano quello di studiare lo spazio interplanetario fra la Terra e il Sole ma sarebbe stato importante riuscire a mantenere un collegamento con una stazione radio interplanetaria da milioni di km. A causa delle limitazioni di peso, si poteva imbarcare sulla navicella un "carico scientifico" massimo di 18,14 kg. Andavano solo scelti gli strumenti scientifici adatti ed essenziali. Uno degli obiettivi della missione era anche quello di scoprire le cause delle “diminuzioni di Forbush”, un effetto scoperto nel 1937 per l'appunto dal fisico americano Scott E. Forbush.

STUDIO DELL'EFFETTO FORBUSH E MISSIONE DI ABLE-6

Praticamente è la diminuzione repentina dei raggi cosmici subito dopo un'esplosione solare. Lo stesso Forbush e altri scienziati ipotizzarono varie cause per spiegare il fenomeno. Una poteva essere che il materiale proveniente da un'esplosione solare bloccava in qualche modo i raggi cosmici. Oppure tale esplosione dava il via a qualche effetto sul campo magnetico terrestre che bloccava detti raggi. Nell'Aprile 1959 a Washington D.C., si svolse un simposio. Gli scienziati intervenuti proposero di misurare l'intensità dei raggi cosmici da un punto sufficientemente distante per eliminare l'influenza del campo magnetico terrestre. Così Able-6 diventò uno strumento ideale per scoprire se veramente il Sole potesse influenzare (dal punto di vista magnetico) la Terra e lo spazio interplanetario.

DESCRIZIONE DELLA SONDA

Aveva una forma sferica (diametro: 66 cm; altezza: 74 cm) ed un peso totale di 43,09 kg. Fissati al corpo sferico, c'erano quattro pannelli solari (dall'estremità all'altra di ogni paio di pannelli c'erano 244 cm). Ognuno di questi pannelli misurava: 35,6 x 45,7 cm e conteneva 1200 celle solari. La posizione dei pannelli era studiata in maniera tale che, per qualunque assetto assumesse la sonda, almeno il 23% della loro superficie sarebbe stato colpita dalla luce solare. I 15-16 W di potenza raccolta venivano poi immagazzinati in 28 batterie ricaricabili al nichel-cadmio (peso: 14,97 kg).

Le telecomunicazioni erano garantite da: una piccola antenna omnidirezionale (posta alla sommità della "sfera"), un ricevitore sui 401,85 MHz e due trasmettitori (uno primario e uno sperimentale). La frequenza di trasmissione [downlink in gergo] era sui 378,21 MHz; il sistema fu progettato per funzionare cinque minuti ogni cinque ore. Il trasmettitore primario aveva una potenza di 5 W ed una portata di 8 milioni di km. Quando la sonda sarebbe stata troppo lontana per l'antenne terrestri, allora le telecomunicazioni erano commutate sul trasmettitore sperimentale da 150 W con una portata potenziale di 80 milioni di km). A quel punto, solo l'antenna di Jodrell Bank poteva ricevere i segnali dalla navicella. Inoltre il trasmettitore sperimentale da 150 W sarebbe stato usato anche per condurre, da parte delle stazioni terrestri, test di trasmissione dalla lunga distanza.

Il sistema radio-trasmittente (denominato telebit) inviava sia l'informazione scientifica che i dati telemetrici. In particolare c'erano diversi termistori per misurare le temperature esterne ed interne. Inoltre c'era un indicatore di assetto che provvedeva a segnalare quando la sonda era direzionata verso il Sole. In questo modo si poteva interpretare al meglio i dati raccolti. Il telebit trasmetteva a tre differenti velocità [bitrate in gergo]: 1, 8, 64 bps. A seconda la distanza dalla Terra e la grandezza dell'antenna ricevente, si poteva cambiare la velocità di trasmissione.

A bordo non c'era un sistema propulsivo, quindi la giusta traiettoria doveva essere impartita unicamente dal vettore di lancio. Infine l'unico metodo di stabilizzazione "passivo" — cioè senza l'uso di giroscopi o ugelli spruzzanti gas compresso — era la lenta rotazione rispetto all'asse verticale. La vita operativa del veicolo spaziale venne stimata in almeno 30 giorni.

Gli strumenti scientifici a bordo (18,1 kg compresa l'elettronica) erano: 

1. contatore di radiazioni ad alta energia [PCT, Proportional Counter Telescope · peso: 2,3 kg];

2. camera di ionizzazione associata ad un contatore Geiger-Müller;

3. magnetometro [SCM, Search Coil Magnetometer · 450 grammi];

4. spettrometro per la quantità di moto delle micrometeoriti [MS, Micrometeorite Spectrometer · 230 grammi)]

I responsabili della Nasa nell'Ottobre 1959 ordinarono di piazzare il vettore Thor–Able IV sulla rampa 17A di Cape Canaveral, allora conosciuto come AFBMD [Air Force Ballistic Missile Division, ‘‘Divisione per i Missili Balistici dell'Aeronautica’’]. Ma le due date di lancio di Dicembre non poterono essere sfruttate per dei problemi elettronici alla sonda. Il lancio del 29 Gennaio 1960 fu rimandato al 1° Marzo. A fine Febbraio la Nasa decise di optare per la "finestra" del 4-8 Marzo ed infine decise per l'11.

Il decollo avvenne dalla rampa 17A alle 13:00:05 dell'11 Marzo. Pochi minuti dopo, il terzo stadio ed ultimo stadio dai 480 km di quota impartì una velocità di fuga pari a 11,119 km/s [40.028 km/h]. Il veicolo spaziale così abbandonò per sempre la Terra e s'inserì in un'orbita eliocentrica [0,806 · 0,993 UA · 311,65 giorni · 3,35°]. Alle 13:27 quando il nostro pianeta era lontano 8000 km Able-6 si distaccò dallo stadio finale e assunse la denominazione di Pioneer-5. I comandi furono inviati dal radiotelescopio di Jodrell Bank e saranno in assoluto i primi mai trasmessi dall'antenna da 76,2 metri ad una sonda spaziale. Subito dopo il "distacco" venne attivato il rilevatore d'impatti micrometeoritici. Il primo contatto lo stabilì l'antenna di ricezione delle Hawaii. Purtroppo a bordo si registrò un guasto ad un diodo e così l'invio invio della telemetria risultò difficoltoso.

Per i limiti nei sistemi di trasmissioni/ricezione non era possibile un collegamento continuo. Ogni giorno (alle 7, 12, 17, 24) si poteva "dialogare" con la sonda per soli 5 minuti. Il MAG fu attivato il 12 Marzo ed iniziò a campionare ogni 1,5’’ (a quel tempo la telemetria della sonda fluiva a 64 bps). Il 13 Marzo Pioneer-5 era a 658.081 km dalla Terra e batteva così il record della distanza di trasmissione stabilito dal Pioneer-4.

Nella prima settimana di viaggio l'MS registrò 87 impatti; poi iniziò a fornire dati coerenti e smise di funzionare per il guasto al contatore degli impulsi. Qualche giorno dopo fu scoperto che la magnetosfera terrestre s'estendeva nello spazio in maniera più ampia di quella stimata (14 raggi terrestri invece che 6, cioè 89.292 km contro i 28.728 km ipotizzati). Alle 7 del 18, la navicella era a 1.613.344 km [25 secondi luce]. Il 19 la velocità di trasmissione passò da 64 a 8 bps; il 25 la distanza dal nostro pianeta era aumentata fino a 3.218.000 km.

| OSSERVAZIONI DELL'EFFETTO FORBUSH E DI UN CAMPO MAGNETICO INTERPLANETARIO |

Alle 14:55 del 30 Marzo gli astronomi osservarono l'eruzione di un immenso "brillamento" [flare] solare. Questi avrebbe provocato una tempesta magnetica sulla Terra dopo circa 21 ore. Alle 11:24 del 31 Marzo i primi due strumenti scientifici registrarono un decremento della quantità di raggi cosmici. Allora il veicolo spaziale si trovava a 3,7 milioni di km dalla Terra, cioè troppo lontano da un'eventuale influenza del campo magnetico terrestre. Nello stesso momento, il magnetometro osservò un incremento di un ordine di grandezza nella forza del campo magnetico interplanetario. Praticamente la massa di plasma, generata dal solar flare del 30 Marzo, aveva viaggiato lungo un percorso a spirale alla velocità di circa 960 km/s. Inoltre la tempesta solare aveva bloccato, come in un "imbottigliamento", i raggi cosmici che fluivano nello spazio interplanetario. Dopo una mezz'ora, alle 12 circa del 31 Marzo, il plasma solare investì la Terra. L'effetto Forbush fu osservato da una stazione di monitoraggio canadese. Era la prima prova dell'esistenza di un campo magnetico interplanetario, anche se di debolissimo. Inoltre quei giorni erano nel periodo di Sole "quieto", il minimo nel ciclo undecennale; così fu chiaro che l'intensità del campo magnetico interplanetario e il numero di macchie solare erano correlate.

- Aprile -

Il 1° avvenne una seconda grande esplosione solare e i suoi effetti furono registrati direttamente dagli strumenti della sonda. Venne altresì costatato che un flusso di protoni con un'energia di 100 MeV viaggiava avanti le linee di curvatura dell'"imbottigliamento" magnetico. Quest'ultimo era la conseguenza dell'esplosione solare del 30 Marzo. Così fu chiarito il meccanismo dell'"effetto Forbush": era il plasma solare a bloccare i raggi cosmici.

Il 6 Aprile il veicolo spaziale era a 5,63 milioni di km dalla Terra, il 17 Aprile a 8.045.000 km. Pioneer-5 operò in maniera regolare fino al 30 Aprile; poi i segnali emessi dal trasmettitore da 5 W cominciarono ad essere deboli ed incostanti.

- Maggio e Giugno -

Il 6 il magnetometro inviò l'ultimo dei suoi 20.886 rilevamenti. Di queste "letture", 11.813 erano state trasmesse a sessantaquattro bps, 6599 ad otto ed infine 2474 ad un bps. Il 7 fu raggiunta la portata massima del trasmettitore primario da 5 W. Alle 09:04 dell'8, a 12.873.609 km dalla Terra, le comunicazioni commutarono sul trasmettitore da 150 W. All'8 Maggio erano state raccolte 109 ore di dati.

Purtroppo l'essenziali batterie chimiche si stavano lentamente degradando. Infatti stavano perdendo il loro contenuto gassoso nello spazio. Da quel giorno la sonda fu "seguita" in maniera sporadica per risparmiare energia, praticamente il trasmettitore sperimentale venivano usato per 2-3 minuti ogni 6-8 ore.

(7)

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	Posizioni, distanze fra pianeti, il Sole e varie sonde [млн. км = milioni di km]: 1 posizione della Terra e della sonda il 1° Aprile; 2 posizione di Venere al perielio della navicella; 3 posizione della Terra al lancio; 4 afelio nell'orbita di Pioneer-V; 5 perielio di Pioneer-IV; 6 posizione della sonda americana e di Luna-3 nell'Aprile 1960; 7 perielio di Metcha; 8 perielio di Pioneer-V; 9 afelio di Pioneer-IV; 10 posizione della Terra al perielio di Pioneer-V; 11 afelio di AMS; 12 orbita di AMS; 13 orbita di Pioneer-IV; 14 orbita della Terra; 15 orbita di Pioneer-V; 16 orbita di Venere.

Il 16 Maggio dal PCT arrivò l'ultima informazione utile; il giorno dopo si fermò anche la camera di ionizzazione integrata al contatore Geiger. Così a 28,48 milioni di km dalla Terra terminò la raccolta dei dati sui flussi di raggi cosmici e particelle cariche. Per di più si perse anche codifica della telemetria, già molto disturbata dal 29 Aprile. Il radiotelescopio di Jodrell Bank poteva comunque seguire la sonda per non più di cinque minuti il giorno.

Il 26 Giugno il radiotelescopio inglese captò l'ultimo segnale (per la precisione solo la portante). A quella data la distanza dalla Terra era di 36.149.000 km. Inoltre la velocità del veicolo spaziale rispetto il nostro pianeta si attestava sui 33.789 km/h; quella eliocentrica era di 112.500 km/h. La missione operativa era quindi durata 79 giorni in più dei trenta previsti.

Pioneer-5 transitò al suo primo perielio il successivo 10 Agosto. Nel 1963 considerando che la sonda sarebbe passata vicino alla Terra, fu pensato di contattarla. Il tentativo risultò vano dato che le batterie erano ormai inutilizzabili.

In 109 giorni di funzionamento Pioneer-5 percorse 289,62 milioni di km nello spazio; inoltre totalizzò ben 138 ore e 54’ di trasmissione dati. Gli strumenti scientifici di bordo inviarono informazioni equivalenti a 3 Mb [384 kB]. Misurando la velocità radiale gli scienziati poterono calcolare con una migliore precisione il valore di 1 UA, cioè la distanza media fra Terra e Sole. Il valore "indicato" fu di 149.545.000 ± 20.000 km contro la misura precedente di 149.527.000 ± 20.000 km, ricavata da vent'anni di osservazione dell'asteroide 433 Eros.

Un'immagine a colori della sonda

x FOTO, IMMAGINI, SCHEMA:

- foto (1): LINK;

- immagine (2): LINK;

- immagine (3): LINK;

- immagine (4): LINK;

- foto (5): LINK;

- immagine (6): LINK;

- schema (7): LINK;

- immagine (8): LINK;

- foto (9): fonte Nasa - NewsGroup “images.astronautique”, “Pioneer-5”, post di Paolo Ulivi del 16.04.2005.

x il TESTO:

• National Space Science Data Center, 1960-001A;

• Space.40, 1960-001A [nota: il testo è in ceco];

• AstroLink.de, LINK [nota: il testo è in tedesco];

• Deep Space Chronicle, 1960 - LINK [file .pdf];

• Paolo Ulivi (“CAPITOLO I - GLI ANNI 60: IL PRINCIPIO”, 06.07.2003), pagg. 2-4;

• Grand Tour! (“Pioneer-5”), LINK;

• Nasa (“Aeronautics and Astronautics Chronology, 1960”) - LINK;

• NASM Space Artifacts, LINK;

• Nasa - Astrophysics Data System (ADS), LINK;

• Bbc.co.uk, (“BBC ON THIS DAY | 14 March”), LINK;

• Jodrell Bank Observatory (“Jodrell Bank's role in early space tracking activities - Part 1”), LINK;

• Epizodsspace.testpilot.ru, Biblioteka, (“The forgotten mission of Pioneer-5”) - LINK;

• Epizodsspace.testpilot.ru, LINK;

• Sven's space place (“Space Frequency Listing, 350-700 MHz, Downlink”) - LINK;

• Nuovo ORIONE (“Le grandi pagine dell'astronomia spaziale: Pioneer-5, la prima sonda interplanetaria”), pagina 53.