파이어니어 11호
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1. 개요
파이어니어 11호는 1969년 승인된 태양계 외곽 탐사선으로, 쌍둥이 탐사선인 파이어니어 10호와 함께 외행성 탐사를 위해 설계되었다. TRW에서 제작하고 NASA 에임스 연구 센터에서 관리했으며, 화성 너머의 행성간 공간, 소행성대, 목성 대기를 탐사하는 것을 목표로 했다. 목성 탐사 후 토성으로 향하여 토성의 자기장, 대기, 고리 시스템 등을 조사했으며, 보이저 계획에 중요한 정보를 제공했다. 1973년 발사되어 1979년 토성에 접근하여 E, F, G 고리를 발견하는 등 과학적 데이터를 제공했으며, 1995년 전력 저하로 운용이 중단되었다. 탐사선에는 외계 지적 생명체를 위한 메시지를 담은 금속판이 부착되어 있으며, 파이어니어 10호와 11호의 무선 추적 데이터에서 나타난 '파이어니어 이상' 현상에 대한 연구도 이루어졌다.
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| 파이어니어 11호 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 임무 유형 | 행성/태양권 탐사 |
| 운영자 | NASA / 에임스 |
| 웹사이트 | science.nasa.gov |
| COSPAR ID | 1973-019A |
| SATCAT | 6421 |
| 임무 기간 | 1973년 4월 5일 - 1995년 11월 24일 |
| 제조사 | TRW |
| 발사 질량 | 258.5 kg |
| 전력 | 발사 시 155 와트 |
| 발사일 | 1973년 4월 6일, 02:11:00 UTC |
| 발사 로켓 | 아틀라스 SLV-3D 센타우르-D1A 스타-37E |
| 발사 장소 | 케이프커내버럴 LC-36B |
| 폐기 유형 | 운용 중단 |
| 마지막 교신 | 1995년 11월 24일 |
| 휘장 | Pioneer 10 - Pioneer 11 - mission patch - Pioneer patch.png |
| 프로그램 | 파이어니어 계획 |
| 이전 임무 | 파이어니어 10호 |
| 다음 임무 | 파이어니어 12호 |
| 행성간 탐사 | |
| 유형 | 플라이바이 |
| 대상 | 목성 |
| 거리 | 43000 km |
| 도착일 | 1974년 12월 3일 |
| 행성간 탐사 | |
| 유형 | 플라이바이 |
| 대상 | 토성 |
| 거리 | 21000 km |
| 도착일 | 1979년 9월 1일 |
| 명칭 | |
| 영어 | Pioneer 11 |
| 일본어 | パイオニア11号 |
| 한글 | 파이어니어 11호 |
| 추가 정보 | |
| 목적 | 목성, 토성 탐사 |
| 관측 대상 | 목성, 토성 |
| 통신 두절일 | 1995년 11월 |
| 운용 종료일 | 1995년 9월 30일 |
2. 개발 배경 및 목적
1969년 2월에 승인된 파이어니어 11호는 쌍둥이 탐사선인 파이어니어 10호와 함께 태양계 외곽을 탐사하도록 설계된 최초의 탐사선이었다. 1960년대에 걸쳐 여러 제안을 수용하여 초기 임무 목표는 다음과 같이 정의되었다.
- 화성 궤도 너머의 행성간 공간 탐사
- 과학적 관점에서 소행성대의 특성을 조사하고 외행성 임무에 대한 소행성대의 잠재적 위험을 평가.
- 목성 대기의 환경 탐사.
토성과의 조우를 위한 후속 계획은 더 많은 목표를 추가했다.
- 토성의 자기장을 지도화하고 그 세기, 방향 및 구조를 결정한다.
- 우주선의 토성 시스템 통과 궤적을 따라 다양한 에너지의 전자와 양성자가 얼마나 분포되어 있는지 결정한다.
- 토성 시스템과 태양풍의 상호 작용을 지도화한다.
- 토성 대기 및 토성의 가장 큰 위성인 타이탄의 온도를 측정한다.
- 분자가 전기적으로 하전되어 전리층을 형성할 것으로 예상되는 토성 상층 대기의 구조를 결정한다.
- 전파 엄폐 데이터를 결합한 적외선 관측을 통해 토성 대기의 열 구조를 지도화한다.
- 조우 시퀀스 동안 두 가지 색상으로 토성 시스템의 스핀 스캔 이미지를 획득하고 행성의 편광 측정값을 얻는다.
- S-밴드 전파 엄폐를 통해 토성의 고리 시스템과 대기를 탐사한다.
- 우주선의 움직임에 대한 중력장의 정확한 관측을 통해 토성 및 그 큰 위성의 질량을 보다 정확하게 결정한다.
- 마리너 목성/토성 임무의 전조로서, 마리너 우주선이 심각한 손상 없이 안전하게 통과할 수 있는 고리 평면의 환경을 확인한다.
파이어니어 11호는 TRW에서 제작했으며 NASA 에임스 연구 센터에서 파이어니어 계획의 일부로 관리했다. 임무의 많은 요소들이 보이저 계획의 계획에 매우 중요했다.
3. 구조
파이어니어 11호는 파이어니어 10호와 거의 동일하게 설계되었으며, 본체는 깊이 36cm의 6각형 구조로 76cm 길이의 패널 6개로 이루어져 있다. 질량은 259kg이다.[1] 본체에는 탐사선의 자세 제어를 위한 추진제와 12개의 과학 장비 중 8개가 탑재되어 있다.
자세 제어에는 6개의 4.5 뉴턴 히드라진 단일 추진제 추력기가 사용되었다. 이 중 1쌍은 4.8 rpm의 일정한 회전 속도를 유지하고, 2쌍은 전방 추력을 제어하며, 나머지 3쌍은 자세를 제어하는 데 사용된다. 자세 정보는 궤도에서 지구를 추적하기 위한 원추형 스캔 기동과 별 센서를 이용한 카노푸스 참조, 그리고 2개의 태양 센서를 통해 얻는다.[1]
파이어니어 10호와 파이어니어 11호에는 다른 행성계의 지적 생명체가 발견할 경우를 대비하여 금색 양극 산화 알루미늄 기념 플라크가 탑재되어 있다. 이 금속판에는 우주선의 기원에 대한 정보를 제공하는 여러 기호와 함께 남녀의 나체 형상이 그려져 있다.
3. 1. 통신
파이어니어 11호는 이중화된 송수신기 시스템을 갖추고 있었는데, 하나는 고이득 안테나에, 다른 하나는 전방향성 안테나와 중이득 안테나에 연결되어 있었다. 각 송수신기는 8와트이며, S-대역을 통해 데이터를 전송했다. 지구로부터의 업링크에는 2110 MHz, 지구로의 다운링크에는 2292 MHz를 사용했으며, 심우주 네트워크가 신호를 추적했다.[1] 탐사선은 데이터를 전송하기 전에 컨볼루션 인코더를 사용하여 지구에서 수신된 데이터의 오류를 수정할 수 있도록 했다.3. 2. 전력
파이어니어 11호는 4개의 SNAP-19 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)를 사용한다(--). 이 RTG들은 각각 3m 길이의 막대 트러스 2개에 배치되어 있으며, 서로 120도 간격으로 떨어져 있다. 이는 탑재된 민감한 과학 실험 장치로부터 안전한 거리를 확보하기 위한 것이었다. RTG는 발사 시 합쳐서 155와트의 전력을 공급했으며, 목성으로 이동하는 동안 140W로 감소했다. 우주선은 모든 시스템에 전력을 공급하기 위해 100W가 필요했다.[1]3. 3. 컴퓨터
대부분의 계산은 지구에서 수행되었고, 탐사선은 최대 5개의 명령을 저장할 수 있었다. 두 개의 명령 디코더와 명령 배포 장치를 통해 제한적인 프로세서 기능을 수행했다. 데이터 저장 장치에는 최대 6,144 바이트의 정보를 기록할 수 있었다.4. 과학 장비
파이어니어 11호는 파이어니어 10호에 탑재되지 않았던 3축 플럭스게이트 자력계를 포함하여 총 13개의 과학 장비를 탑재했다. 탐사선에는 자력계 외에도 적외선 방사 계측기, 자외선 계측기, 방사선 계측기, 카메라 등이 장착되었다.
| 장비명 | 설명 |
|---|---|
| 사구형 플라스마 분석기 | 대형 접시 모양 안테나의 구멍을 통해 태양에서 기원하는 태양풍 입자를 감지한다. |
| 전하 입자 장치 (CPI) | 태양계의 우주선을 감지한다. |
| 우주선 망원경 (CRT) | 우주선 입자의 구성과 에너지 범위를 수집한다. |
| 가이거 계수관 망원경 (GTT) | 우주선의 궤적을 따라 목성과 토성의 방사선 벨트를 따라 전자와 양성자의 강도, 에너지 스펙트럼 및 각도 분포를 조사한다. |
| 포획된 방사선 감지기 (TRD) | 입자가 통과할 때 특정 방향으로 방출되는 빛을 감지하여 0.5~12 MeV의 에너지의 전자를 기록하는 비집속 체렌코프 계수기, 100~400 keV의 에너지의 전자를 위한 전자 산란 감지기, 그리고 최소 이온화 입자(<3 MeV)와 50~350 MeV 범위의 양성자를 측정하는 고체 상태 다이오드로 구성된 최소 이온화 감지기를 포함한다. |
| 소행성/유성체 감지기 (AMD) | 유성체-소행성 감지기는 근접한 먼지 조각에서 먼 대형 소행성에 이르기까지 입자를 추적하기 위해 4개의 비이미지 망원경으로 우주를 바라본다. |
| 자외선 분광기 | 자외선은 공간과 목성 및 토성에 있는 수소와 헬륨의 양을 결정하기 위해 감지된다. |
| 이미징 광편광계 (IPP) | 이미징 실험은 우주선의 회전을 이용하여 0.03도 폭의 좁은 스트립으로 행성을 가로질러 작은 망원경을 쓸어내어 적색광과 청색광으로 행성을 관찰한다. 그런 다음 이 스트립을 처리하여 행성의 시각적 이미지를 만든다. |
| 적외선 복사계 | 구름 온도와 목성 및 토성의 열 방출에 대한 정보를 제공한다. |
| 3축 플럭스게이트 자력계 | 목성과 토성의 자기장을 측정한다. 이 기기는 파이어니어 10호에는 탑재되지 않았다. |
각 장비의 주 연구자와 데이터는 원문에 상세히 기술되어 있으며, NASA의 데이터 보관소에서 해당 자료들을 찾아볼 수 있다.
4. 1. 헬륨 벡터 자력계 (HVM)
헬륨 벡터 자력계(HVM)는 행성 간 자기장의 미세 구조를 측정하고, 목성 자기장을 지도화하며, 목성과 태양풍의 상호 작용을 평가하기 위한 자기장 측정을 제공한다. 주 연구자는 JPL의 에드워드 스미스이다.| 헬륨 벡터 자력계(HVM) | |
|---|---|
 | 행성간 자기장의 미세 구조를 측정하고, 목성 자기장을 지도화하며, 목성과 태양풍의 상호 작용을 평가하기 위한 자기장 측정을 제공한다. |
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4. 2. 유성체 감지기
파이어니어 11호는 작은 유성체의 충격을 기록하는 유성체 감지기를 탑재했다.[1]5. 임무 프로필
1973년 4월 6일 미국 항공우주국(NASA)은 플로리다주 케이프 커내버럴 공군 기지의 제36A 발사 단지에서 아틀라스-켄타우르 발사체와 스타-37E 추진 모듈을 사용하여 ''파이어니어 11호'' 탐사선을 발사했다. 쌍둥이 탐사선인 ''파이어니어 10호''는 1972년 3월 3일에 발사되었다.
''파이어니어 11호''는 1974년 12월 4일 목성에 34000km까지 접근하여 대적점의 상세 이미지, 극지방 이미지 등을 전송했다. 목성의 중력을 이용한 스윙 바이를 통해 궤도를 변경하여 토성으로 향했다.
1979년 9월 1일, 토성에 21000km까지 접근하여 E고리, F고리 및 G고리를 발견하고, 위성 에피메테우스와 거의 충돌할 뻔했다. 보이저 1호와 보이저 2호의 탐사에 앞서 토성 고리 평면을 통과하며, 이후 탐사 경로 설정에 중요한 정보를 제공했다.
탐사선은 전력 저하로 인해 1995년 말 태양으로부터 44.7AU 지점에서 운용이 중단되었다.
| 날짜 | 사건 |
|---|---|
| 1973년 4월 6일 | 오전 2시 11분에 우주선 발사. |
| 1974년 4월 19일 | 소행성대 통과. |
| 1974년 11월 3일 | 목성 관측 단계 시작. |
| 1979년 7월 31일 | 토성 관측 단계 시작. |
| 1979년 10월 5일 | 파이어니어 성간 미션 시작. |
| 1990년 | 명왕성 궤도 통과. |
| 1995년 9월 30일 | 일상적인 일일 임무 운영 중단. 파이어니어 11호는 지구로부터 65억 km 떨어짐. |
| 1995년 11월 24일 | 마지막 신호 수신. |
5. 1. 목성 탐사
''파이어니어 11호''는 1974년 11월과 12월에 목성을 지나갔다. 12월 2일 가장 근접했을 때 구름 상단 42828km 위를 통과했다. 이 탐사선은 대적점의 상세한 이미지를 얻었고, 거대한 극지방의 첫 번째 이미지를 전송했으며, 목성의 위성 칼리스토의 질량을 측정했다. 목성의 중력 보조를 사용하여 토성으로 향하는 탐사선의 궤도를 변경하고 속도를 얻었다.5. 2. 토성 탐사
1979년 9월 1일, 파이어니어 11호는 토성의 구름 꼭대기에서 21000km 떨어진 거리를 통과했다.당시 보이저 1호와 보이저 2호는 이미 목성을 지나 토성으로 향하고 있었기 때문에, 파이어니어 11호는 보이저 2호가 나중에 천왕성과 해왕성에 도달하기 위해 통과해야 할 위치에서 토성 고리 평면을 통과하기로 결정되었다. 만약 그 지역에 탐사선을 손상시킬 수 있는 희미한 고리 입자가 있다면, 임무 계획자들은 파이어니어를 통해 이를 확인하는 것이 더 낫다고 판단했다. 따라서 파이어니어 11호는 "선구자" 역할을 수행했다.
파이어니어 11호는 토성의 작은 달 중 하나를 촬영했고, 4000km 이내의 거리에서 지나가며 충돌할 뻔했다. 이 물체는 에피메테우스로 잠정 확인되었다. 보이저 비행 이후, 동일한 궤도에 비슷한 크기의 두 개의 달(에피메테우스와 야누스)이 있다는 것이 알려져, 파이어니어 11호가 근접 통과한 대상이 어느 달이었는지에 대한 불확실성이 존재한다. 파이어니어 11호는 1979년 9월 1일 14:52 UTC에 2500km 거리에서 야누스와 조우했고, 같은 날 16:20 UTC에 103000km 거리에서 미마스와 조우했다.
에피메테우스 외에도, 파이어니어 11호는 이전에 발견되지 않은 또 다른 작은 달과 추가 고리를 발견했고, 토성의 자기권과 자기장을 도표화했으며, 행성 크기의 달인 타이탄이 생명체에게 너무 춥다는 것을 발견했다. 탐사선은 토성 고리 평면 아래로 이동하면서 토성의 고리 사진을 전송했다. 지구에서 관찰할 때 일반적으로 밝게 보이는 고리는 파이어니어 사진에서 어둡게 나타났고, 지구에서 보이는 고리의 어두운 틈은 밝은 고리처럼 보였다.
6. 성과 및 의의
파이어니어 11호는 1974년 12월 4일 목성에 34000km까지 접근했으며, 1979년 9월 1일에는 토성에 21000km까지 접근하여 E고리, F고리, G고리를 발견했다. 이러한 성과는 이후 보이저 계획에 큰 도움이 되었다.
파이어니어 11호는 외계 지적 생명체와의 조우에 대비하여 인류와 태양계에 대한 정보를 담은 금속판을 탑재했다.
7. 운용 중단 및 현재 상태
1995년 전력 저하로 인해 태양으로부터 44.7 AU 떨어진 지점에서 운용이 중단되었다. 미국 항공우주국(NASA)은 1995년 9월 30일에 우주선과의 일상적인 통신을 종료했지만, 약 2~4주마다 약 2시간 동안 계속 연락을 시도했다. 1995년 11월 24일, 과학자들은 몇 분간의 훌륭한 엔지니어링 데이터를 받았지만, 지구의 위치가 우주선 안테나의 시야에서 벗어나면서 마지막 연락이 끊어졌다.
2024년 6월 24일 현재, ''파이어니어 11호''는 태양으로부터 114.089AU 거리에 있으며, 11.155km/s의 속도로 방패자리 방향으로 이동 중이다. 약 928,000년 후에는 K형 왜성 TYC 992-192-1에 0.25pc 이내로 접근할 것으로 예상된다.
8. 파이어니어 이상
태양으로부터 20~70 천문단위(AU) 거리에서 파이어니어 10호와 파이어니어 11호 우주선의 무선 추적 데이터를 분석한 결과, 작지만 이상한 도플러 주파수 편이가 지속적으로 나타났다. 이 편이는 태양을 향하는 (8.74 ± 1.33) × 10−10 m/s2의 일정한 가속도 때문인 것으로 해석할 수 있다. 이 효과에 체계적 기원이 있을 것으로 의심되었지만, 아무것도 발견되지 않았다. 그 결과, 이른바 "파이어니어 이상"의 본질에 대한 지속적인 관심이 이어졌다. 슬라바 투리셰프와 그의 동료들의 미션 데이터에 대한 광범위한 분석 결과, 이 이상 현상은 비대칭적인 열 복사 및 그로 인한 열 반동력에 기인하며, 이는 태양에서 멀어지는 파이어니어의 표면에 작용하는 것으로 밝혀졌다.
9. 기념
1991년, 미국 우편 서비스는 9개의 행성과 달을 탐사한 무인 우주선을 기념하는 우표 10개를 발행했다. 이 중 파이어니어 11호는 목성과 함께 우표에 묘사되었다. 명왕성은 "아직 탐사되지 않음"으로 표기되었다.[1]
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