home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Mania / abacus-multimedia-mania.iso / dp / 0115 / 01158.txt < prev    next >
Text File  |  1993-07-27  |  14KB  |  248 lines

  1. $Unique_ID{bob01158}
  2. $Pretitle{}
  3. $Title{Pioneer
  4. Chapter 3: The Pioneer Spacecraft}
  5. $Subtitle{}
  6. $Author{Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric}
  7. $Affiliation{Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer}
  8. $Subject{spacecraft
  9. spin
  10. earth
  11. power
  12. antenna
  13. axis
  14. pioneer
  15. data
  16. direction
  17. scientific
  18. see
  19. pictures
  20. see
  21. figures
  22. }
  23. $Date{1980}
  24. $Log{See RTG*0115801.scf
  25. }
  26. Title:       Pioneer
  27. Book:        Pioneer: First To Jupiter, Saturn, And Beyond
  28. Author:      Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric
  29. Affiliation: Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer
  30. Date:        1980
  31.  
  32. Chapter 3: The Pioneer Spacecraft
  33.  
  34.      The Pioneer spacecraft were designed to fit within the 3-m (10 ft) shroud
  35. of the Atlas-Centaur launch vehicle.  Each spacecraft was stowed with its
  36. booms retracted and its antenna dish facing forward (i.e., upward on the
  37. launch pad).  Basically, the two spacecraft had to be extremely reliable and
  38. lightweight; their communications systems had to transmit information over
  39. extreme distances; and each had nonsolar heat sources to supply electrical
  40. power.
  41.  
  42.      Each Pioneer spacecraft comprised several distinct subsystems:  a general
  43. structure, an attitude control and propulsion system, a communications system,
  44. thermal control system, electrical power system, navigation system, and most
  45. important to the scientific mission, a payload of 11 sophisticated instruments
  46. for scientific observations and measurements.
  47.  
  48.      To communicate over the great distances from the outer Solar System, the
  49. dish-shaped antennas of the spacecraft had to be pointed toward Earth.  The
  50. simplest and least expensive way to do this was to spin-stabilize each
  51. spacecraft, keeping its spin axis pointing toward Earth.
  52.  
  53. General Structure
  54.  
  55.      From its cone-shaped, medium-gain antenna to the adapter ring that
  56. fastened the spacecraft to stage three of its launch vehicle, each spacecraft
  57. was 2.9 m (9.5 ft) long.  The structure of each spacecraft centered around a
  58. 36-cm (14-in.) deep, flat, equipment compartment, the top and bottom of which
  59. consisted of regular hexagons with sides 71 cm (28 in.) long.  Attached to one
  60. side of this hexagon was a smaller "squashed" hexagon compartment that carried
  61. most of the instruments for the scientific experiments.
  62.  
  63.      A 2.74-m (9-ft) diameter, 46-cm (18-in.) deep, parabolic, dish-shaped,
  64. high-gain antenna of aluminum honeycomb sandwich material was attached to the
  65. front of the equipment compartment.  Its feed was topped with a medium-gain
  66. antenna mounted on three struts which projected about 1.2 m (4 ft) forward.  A
  67. low-gain, omnidirectional antenna extended about 0.76 m (2.5 ft) behind the
  68. equipment compartment mounted below the dish of the high-gain antenna.  Two
  69. three-rod trusses, 1200 apart, projected from two sides of the equipment
  70. compartment.  At their ends, radioisotope thermoelectric generators were held
  71. about 3 m (10 ft) from the center of the spacecraft.  A third single-rod boom,
  72. 1200 from the two trusses, projected from the experiment compartment to
  73. position a magnetometer sensor about 6.6 m (21.5 ft) from the center of the
  74. spacecraft.  All three appendages were extended after launch.
  75.  
  76. Attitude Control and Propulsion
  77.  
  78.      A starlight sensor on each spacecraft provided a reference on the bright
  79. southern star Canopus, and two sunlight sensors provided a reference to the
  80. Sun.  Attitude was calculated from the reference directions to Earth and the
  81. Sun, with the known direction to Canopus provided as backup.  Before Pioneer
  82. 11 was launched, the gain and threshold settings of its starlight sensor were
  83. modified to improve performance on the basis of experience gained during the
  84. first few months of Pioneer 10's flight.
  85.  
  86.      Three pairs of rocket thrusters located near the rim of the antenna dish
  87. were used to direct the spin axis of each spacecraft, to keep it spinning at
  88. the desired rate of 4.8 rpm, and to change the velocity of the spacecraft for
  89. in-flight maneuvers.  The system's six thrusters could be commanded to fire
  90. steadily or in pulses.  Each thruster developed its propulsive jet from the
  91. decomposition of liquid hydrazine by a catalyst in a small rocket thrust
  92. chamber to which the nozzles of the thruster were attached.  Attitude and
  93. velocity were changed by two thruster pairs mounted on opposite sides of the
  94. rim of the antenna dish.  One thruster of each pair pointed forward, the other
  95. aft.  To change attitude, the spin axis of the spacecraft was precessed in the
  96. desired direction by firing two thrusters, one on each side of the antenna
  97. dish.  One thruster was fired forward, one aft, in brief pulses of thrust at a
  98. precisely timed position in the cycle of rotation of the spacecraft.  Each
  99. thrust pulse, timed to the rotation, precessed the spin axis a few tenths of a
  100. degree until the desired attitude was reached.
  101.  
  102.      To change velocity, the spin axis was first precessed until it pointed in
  103. the direction along which the correcting velocity had to be applied.  Then two
  104. thrusters, one on each side of the antenna dish, were fired continuously, both
  105. in the same direction (i.e., forward or aft, to apply the correcting velocity
  106. in the desired direction).  For example, if the spacecraft's spin axis were
  107. aligned to its flightpath, the correcting velocity would be applied forward to
  108. increase its velocity along its flightpath and aft to decrease it.
  109.  
  110.      To adjust the spin rate of the spacecraft, two more pairs of thrusters,
  111. also set along the rim of the antenna dish, were used.  These thrusters were
  112. aligned tangentially to the antenna rim, one pointing against the direction of
  113. spin and the other pointing with it.  Thus, to reduce spin rate, two thrusters
  114. were fired against the direction of spin.  To increase spin rate, they were
  115. fired with the spin direction.
  116.  
  117. Communications
  118.  
  119.      Each Pioneer spacecraft, in its journey to explore the giant outer
  120. planets, carried two identical receivers.  The omnidirectional and medium gain
  121. antennas operated together and were connected to one receiver, while the
  122. high-gain antenna was connected to the other.  The receivers did not operate
  123. at the same time, but were interchanged by command or, if there was a period
  124. of inactivity, they were switched automatically.  Thus, if a receiver had
  125. failed during the mission, the other would have automatically taken over.
  126.  
  127.      Two radio transmitters, coupled to two traveling-wave-tube power
  128. amplifiers, each produced 8 W of transmitted power at S-band.  The
  129. communications frequency uplink from Earth to the spacecraft was at 2110 MHz,
  130. the downlink to Earth, at 2292 MHz.  The turnaround ratio, downlink to uplink,
  131. was precisely controlled to be compatible with the Deep Space Network.
  132.  
  133.      The data system of each spacecraft converted scientific and engineering
  134. information into a specially coded stream of data bits for transmission by
  135. radio to Earth.  A convolutional encoder arranged the data in a form that
  136. allowed most errors to be detected and corrected by ground computer at the
  137. receiving site of the Deep Space Network.  There were 11 data formats divided
  138. into scientific and engineering data groups.  Some science formats were
  139. optimized for interplanetary data, others for the encounters with Jupiter and
  140. Saturn.  Engineering data formats specialized in data handling, electrical,
  141. communications, orientation, and propulsion data.  All formats were selected
  142. by command from Earth.
  143.  
  144. Thermal Control
  145.  
  146.      Temperature was held between -23 degrees and 38 degrees C (-10 and 100
  147. degrees F) inside the scientific instrument compartment, and at various other
  148. levels elsewhere so that the scientific equipment onboard the spacecraft
  149. operated satisfactorily.
  150.  
  151.      The system of temperature control was designed to adapt to the gradual
  152. decrease in solar heating as the spacecraft moved away from the Sun, and to
  153. those frigid periods when the spacecraft passed through Earth's shadow soon
  154. after launch and when it passed through Jupiter's or Saturn's shadow during
  155. planetary encounters.  The temperature control system also controlled the
  156. effects of heat from the third-stage engine, atmospheric friction during
  157. launch, spacecraft thermoelectric power generators, and from other equipment.
  158.  
  159.      Equipment compartments were insulated by multi-layered blankets of
  160. aluminized plastic.  Temperature-responsive louvers at the bottom of the
  161. equipment compartment, opened by temperature-sensitive bimetallic springs,
  162. controlled the amount of excess heat allowed to escape.  Other equipment was
  163. individually thermally insulated and was warmed as required by electric
  164. heaters and twelve 1-W radioisotope heaters fueled with plutonium-238.
  165.  
  166. Electrical Power
  167.  
  168.      Nuclear-fueled electric power for the Pioneer spacecraft was derived from
  169. SNAP-19-type radioisotope thermoelectric generators (RTGs), developed by the
  170. Atomic Energy Commission, similar to those that had been used successfully to
  171. power the Nimbus-3 meteorological satellite.  These units converted heat from
  172. the radioactive decay of plutonium-238 into electricity.
  173.  
  174. [See RTG: Four radioisotope thermoelectric generators (RTG's) provided
  175. electrical power in each Pioneer spacecraft.]
  176.  
  177.      The RTGs were located on the opposite side of the spacecraft from the
  178. scientific instruments to reduce the effects of neutron radiation.  Mounted in
  179. pairs on the end of each three-rod truss, these four RTGs developed about 155
  180. W of electrical power for each spacecraft at launch.  By the time each
  181. spacecraft reached Jupiter, the power output had decreased to about 140 W.  It
  182. continued to decrease, but at a slower rate, as Pioneers 10 and 11 proceeded
  183. on their long journeys after Jupiter encounter.  The depletion of power was
  184. not caused by the isotope source itself, but resulted from a deterioration in
  185. the junctions of the thermocouples which converted heat into electricity
  186. within each unit.  The RTGs supplied adequate power for the mission because
  187. each spacecraft needed only 100 W to operate all its systems and experiments.
  188. The scientific instruments consumed only 25 W.  Any excess power from the RTGs
  189. not required by the spacecraft was dissipated into space in the form of heat
  190. by a shunt resistor radiator.  Alternatively, any excess power was used to
  191. charge a battery that automatically supplied additional power for short
  192. periods when the spacecraft required more than the output of the RTGs.
  193.  
  194. Navigation
  195.  
  196.      Throughout the mission, the axis of the highgain antenna was slightly
  197. offset from, but parallel to, the spin axis of each spacecraft within close
  198. tolerances.  Except during the early stages of the flight near Earth and when
  199. adjustments were made to realign the spacecraft to make course corrections,
  200. the spin axis of each spacecraft always pointed toward Earth, within a
  201. tolerance of 1 degree, to provide best communication.
  202.  
  203.      Analysts used the shift in frequency of the radio signals from the
  204. spacecraft together with angle tracking by the antennas of the Deep Space
  205. Network to calculate the speed, distance, and direction of the spacecraft from
  206. Earth.  The motion of the spacecraft away from Earth caused the frequency of
  207. the spacecraft's signals to drop and their wavelength to increase.  This
  208. effect known as the Doppler shift allowed the speed of the spacecraft to be
  209. calculated from measurements of the change in frequency of the signal received
  210. at Earth.  As the spacecraft continued outward, angle tracking became less
  211. important.  Pioneer's path was calculated by use of celestial mechanics, and
  212. the radio data were used to determine just how close the spacecraft was to its
  213. calculated path.  Residual Doppler data (i.e., the difference between the
  214. Doppler shifts expected and those observed) provided information to keep the
  215. trajectory updated and to determine the masses of planetary bodies the
  216. Pioneers encountered.
  217.  
  218.      The radio beam to Earth was offset 1 degree from the spin axis of the
  219. spacecraft.  As a result, when the spin axis was not directed exactly toward
  220. Earth, uplink signals received by Pioneer from Earth varied in intensity
  221. synchronously with the rotation of the spacecraft.  A system on the
  222. spacecraft, known as conical scan (CONSCAN), was originally intended to
  223. automatically change the attitude of the spacecraft in a direction that would
  224. reduce such variations in signal strength, thereby returning the spin axis to
  225. align with the direction of Earth to within a threshold of 0.3 degrees.
  226. However, flight operations personnel developed and used a direct command
  227. technique that allowed them to conserve the gas supply of each spacecraft so
  228. that the mission could be extended beyond the encounters with Jupiter and
  229. Saturn.
  230.  
  231. Scientific Payload
  232.  
  233.      The Pioneer spacecraft, as they moved through interplanetary space on
  234. their way to Jupiter and Saturn and beyond, were to investigate magnetic
  235. fields, cosmic rays (fast-moving parts of atoms from the Sun and from the
  236. Galaxy), the solar wind (a flow of charged particles from the Sun) and its
  237. relationships with the interplanetary magnetic field and cosmic rays, and any
  238. interplanetary dust concentrations they might encounter in the asteroid belt.
  239.  
  240.      At Jupiter and Saturn, Pioneer investigated their planetary systems in
  241. four main ways:  by measuring particles, fields, and radiation; by spin-scan
  242. imaging the planets and some of their satellites; by accurately observing the
  243. paths of the spacecraft and measuring the gravitational forces of the planets
  244. and their major satellites acting on them; and by observing changes in the
  245. frequency of the S-band radio signal before and after occultation to study the
  246. structures of their ionospheres and atmospheres.
  247.  
  248.