パイオニア3号

パイオニア3号は、1958年 12月6日にアメリカ合衆国の陸軍弾道ミサイル局が、アメリカ航空宇宙局（NASA）の協力のもと、ジュノーIIロケットを使用して打ち上げた宇宙探査機です。当初の計画では月を目指し、その近傍を通過した後に太陽を周回する軌道へ乗ることが期待されていました。しかし、この目標は達成されず、探査機は地球へ戻ってくる前に最大で102,360キロメートルの高度に到達しました。ミッションの過程で、搭載されていた科学機器による観測が重要な意味を持つことになり、特に地球周辺の放射線環境、具体的にはヴァン・アレン帯の外側領域を測定すること、そして将来の月探査に向けた撮影用トリガーセンサーの試験が主な目的として位置づけられました。

探査機の設計

パイオニア3号は、特徴的な円錐形のフォルムをしていました。高さは約58センチメートル、底面の直径は約25センチメートルです。本体は軽量な繊維ガラスで造られ、表面には電気を通しやすくするために金メッキが施されていました。さらに、機体の温度を摂氏10度から50度の範囲に保つため、白の縞模様が塗られていました。円錐の先端には、通信アンテナとして機能するプローブ（探針）が接続されていました。底部には、探査機全体の電力を供給する環状の水銀電池が配置されました。この環の中央からは、月からの光を感知するための光電子センサーが突き出ていました。このセンサーは、探査機が月より3万キロメートル以内に接近すると、月の光によって2つの光電セルが作動するように設計されていました。円錐の内部中央には、配線や電子機器と共に、地球周辺の放射線を観測するための2つのガイガー＝ミュラー計数管が搭載されていました。通信システムとしては、出力0.1ワットの送信機が960.05MHzの周波数で位相変調信号を送信しました。有効放射電力は合計で0.18ワットでした。

姿勢制御には、スピン安定方式が採用されました。打ち上げ後、探査機は高速で回転し、姿勢を維持します。スピンを止めるための機構も備わっており、これは2本の長さ1.5メートルのワイヤの先端にそれぞれ7グラムの重りが付いたものでした。打ち上げから約10時間後にこの機構が作動し、遠心力で展開したワイヤの重りによって、当初毎分400回転だったスピン速度が徐々に減速され、毎分6回転になった時点でワイヤが分離される仕組みでした。

ミッションの経過と成果

パイオニア3号の当初の飛行計画は、打ち上げから33.75時間後に月近傍を通過し、その後太陽を周回する軌道へ入るというものでした。しかし、打ち上げに使用されたジュノーIIロケットの第1ステージエンジンが、予定よりも3.7秒早く停止してしまう不具合が発生しました。このため、探査機は地球の重力圏から完全に脱出するために必要な速度に達することができませんでした。また、探査機の射出角度も計画の68度から約71度へとわずかにずれていました。

探査機は地球の重力に引かれて戻ってくるまでに、地球の中心から測って約109,740キロメートル（地表からの高度で102,360キロメートル）まで到達しました。そして、打ち上げ翌日の12月7日、協定世界時（UTC）でおよそ19時51分頃、アフリカ大陸上空、推定で北緯16.4度、東経18.6度の地点で地球大気圏に再突入し、燃え尽きたと考えられています。パイオニア3号の飛行時間は合計で38時間6分でしたが、このうち約25時間にわたって探査機からデータ送信が行われました。残りの約13時間は、地球上の追跡基地からの通信が途絶する位置にありました。送信されたデータによると、探査機内部の温度は飛行時間の大半で約43度程度に保たれていたことが確認されています。

月探査という当初のミッション目標は達成できませんでしたが、パイオニア3号が収集した科学データは、宇宙科学の分野で極めて重要な貢献をしました。特に、搭載されていたガイガー＝ミュラー計数管によって観測された放射線データは、地球を取り巻く放射線帯の研究者であるジェームズ・ヴァン・アレン博士にとって非常に価値のあるものでした。パイオニア3号のデータは、先行するエクスプローラー1号および3号のデータと合わせて分析されることで、地上数百マイルから数千マイル上空に存在する、地球を取り巻く2番目の、より外側の放射線帯の発見につながりました（内側の放射帯は、既にソ連のスプートニク2号・3号によって発見されつつありました）。この発見された放射線帯は、その功績を称えられ「ヴァン・アレン帯」と命名されています。

パイオニア3号は月には届きませんでしたが、その飛行中に得られたデータは、地球周辺の宇宙環境、特に放射線帯についての理解を深める上で、科学的に大きな成果をもたらしたミッションとなりました。

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