Pioneer 1

Pioneer 1 est la deuxième de trois sondes spatiales Able conçues pour sonder l'espace lunaire et cislunaire. Pioneer 1, la deuxième et la plus réussie des trois sondes spatiales Able et le premier véhicule spatial lancé par la NASA, nouvellement formée, est destiné à étudier le rayonnement ionisant, le rayonnement cosmique, les champs magnétiques et les micrométéorites à proximité de la Terre et sur l'orbite lunaire. En raison d'un dysfonctionnement du lanceur, la sonde spatiale atteint seulement une trajectoire balistique et n'atteint jamais la Lune. Elle envoie des données sur l'environnement spatial proche de la Terre.

La conception du véhicule spatial est très similaire à celle de la sonde lunaire Pioneer 0 (Able 1) et construite par Space Technology Laboratories (STL).

La sonde Pioneer 1 est presque identique à la sonde Pioneer 0. La sonde lunaire consiste en un cylindre avec un cône tronqué supérieur et inférieur. Le cylindre a un diamètre de 74 cm et une hauteur de 76 cm. Le cône inférieur où se trouve un moteur-fusée à propergol solide de 11 kg, qui constitue le principal élément structurel de la sonde lunaire. Huit petits moteurs verniers, pour le réglage de la vitesse, à propergol solide de faible poussée sont installés sur le cône supérieur dans un anneau pouvant être largué après utilisation. Une antenne magnétique fait également saillie du cône supérieur. Le cylindre central est composé de plastique stratifié et est peint avec un motif de rayures sombres et claires pour aider à réguler la température. La masse totale du véhicule spatial est de 38,3 kg. La masse totale de la sonde spatiale après séparation des moteurs verniers est de 34,2 kg, et après la mise à feu du moteur-fusée à propergol solide pour l'injection, elle est de 23,2 kg[2].

L'instrumentation scientifique d'une masse de 17,8 kg comprend une caméra de télévision infrarouge à balayage d'images permettant d'étudier la surface de la Lune avec une résolution d'un milliradian, une chambre d'ionisation pour mesurer le rayonnement dans l'espace, un ensemble diaphragme/microphone pour détecter les micrométéorites, un magnétomètre pour mesurer les champs magnétiques jusqu'à 5 microgauss et des résistances à température variable pour mesurer la température interne de la sonde lunaire[3].

La sonde lunaire est alimentée par des piles nickel-cadmium pour l'allumage des petits moteurs verniers, par des piles en argent pour le système de télévision et par des piles au mercure pour les circuits restants. La transmission radio est établie à 108,06 MHz via une antenne électrique dipôle pour la télémétrie et des informations doppler à 300 milliwatts et une antenne magnétique dipôle pour le système de télévision à 50 W. Des commandes au sol sont reçues via l'antenne électrique dipôle à 115 MHz. La rotation de la sonde est stabilisée à 1,8 tr/s.

Il y a cinq instruments à bord de la sonde Pioneer 1 :

• Chambre d'ionisation (Ion Chamber), l'expérience consiste à étudier le flux de radiation entourant la Terre. L'instrument est un récipient de forme cylindrique en aluminium de 43 cm³ remplit d'argon pur. Elle est installée juste à l'intérieur de la paroi de la sonde lunaire. La densité minimale qu'une particule traverse avant d'atteindre le volume sensible de la chambre est de 0,45 g/cm², le maximum est de 20 g/cm². La chambre est capable de répondre au rayonnement cosmique ainsi qu'aux mésons, protons, particules bêta et rayons gamma pouvant résulter de l'interaction des particules avec les parois de la chambre d'ionisation. Les électrons doivent avoir une énergie supérieure à 1 MeV, les protons supérieure à 5 MeV et les particules alpha supérieure à 200 MeV pour pénétrer dans la chambre. On découvre que la chambre ionique a fui et que la pression durant le vol est de 1,58 atmosphère. La prise en compte de toutes les erreurs peut atteindre 50 % pour certains points de données. La plupart des données sont transmises de 10 h 00 à 18 h 00 TU le 11 octobre 1958 et de 08 h 00 à 21 h 00 TU le 12 octobre 1958[4].
• Caméra de télévision infrarouge à balayage d'images lunaires (Lunar TV Scanner).
• Micrométéorite (Micrometeorite), un détecteur acoustique de micrométéorites permettant de déterminer la densité de micrométéorites dans le milieu interstellaire. Les résultats sont limités en raison de la défaillance du lanceur qui fait pénétrer la sonde spatiale dans l'atmosphère terrestre au-dessus du Pacifique Sud le 12 octobre 1958[5].
• Magnétomètre à bobine de recherche à axe unique (Single Axis Search-Coil Magnetometer), est conçu pour étudier le champ magnétique entre la Terre et la Lune et pour rechercher un champ magnétique lunaire. En raison du dysfonctionnement du lanceur, il est utilisé pour étudier le champ magnétique terrestre. Le magnétomètre a une plage de 6 microgauss à 12 milligauss[6].
• Résistances à température variable (Temperature-Variable Resistors), deux résistances pour mesurer la température interne de la sonde lunaire.

Le lancement de la sonde lunaire survient le 11 octobre 1958 à 08 h 42 min 13 s TU par le lanceur Thor-Able I # 1 (Thor # 130) depuis l'aire de lancement LC-17A de la base de lancement de Cap Canaveral. La sonde Pioneer 1 n'atteint pas la Lune comme prévu en raison d'une vanne mal réglée dans l'étage Able du lanceur, ce qui amène un accéléromètre à donner des informations erronées (le deuxième étage Able s'arrête 10 secondes trop tôt). En conséquence, la vitesse de la sonde pour échapper à la gravité de la Terre est insuffisante. Une tentative d'insertion de la sonde lunaire sur une orbite terrestre haute de 128 700 × 32 200 km en utilisant son moteur-fusée construit par Thiokol échoue car la température interne est trop basse pour que les piles fournissent une puissance suffisante. Cela abouti à une trajectoire balistique de la sonde lunaire avec une altitude de 114 750 km à 11 h 42 TU le jour du lancement, selon les informations communiquées par la NASA en février 1959[7].

La transmission en temps réel est obtenue pour environ 75% du vol, mais le pourcentage de données enregistrées pour chaque expérience est variable. Sauf pour la première heure de vol, le rapport signal sur bruit est bon. La sonde met fin à la transmission lorsqu'elle revient dans l'atmosphère de la Terre après 43 h 03 min 47 s de vol, le 13 octobre 1958 à 03 h 46 TU au-dessus de l'océan Pacifique Sud[8].

La sonde lunaire Pioneer 1 sur sa table de lancement.

Une petite quantité d'informations scientifiques utiles est envoyée, montrant que le rayonnement environnant la Terre est sous forme de bandes et mesurant l'étendue des bandes, cartographiant le flux ionisant total, effectuant les premières observations des oscillations hydromagnétiques du champ magnétique terrestre et prenant les premières mesures de la densité des micrométéorites et du champ magnétique interplanétaire[3]. La sonde vérifie l'existence des ceintures de Van Allen et envoie d'autres données utiles sur la limite du champ magnétique terrestre.

Dans un communiqué de presse du 11 octobre 1958 peu après le lancement, le département de la Défense des États-Unis (DoD) a officiellement attribué le nom de « Pioneer » à la sonde, bien qu'il a souvent été rétroactivement connu sous le nom de « Pioneer 1 ». Le nom n'est suggéré par aucun responsable de la NASA, mais par Stephen A. Saliga, un responsable des expositions de la USAF à la Wright-Patterson Air Force Base à Dayton, Ohio, qui a conçu une exposition pour coïncider avec le lancement[7].

Les enquêteurs ont conclu plus tard qu'un accéléromètre a par erreur coupé l'arrivée du carburant au deuxième étage Able en raison du réglage incorrect d'une valve.