Pioneer 10 est une sonde spatiale américaine lancée le 3 mars 1972, ayant pour mission de faire une première reconnaissance de planètes du Système solaire externe. Suivie par sa jumelle Pioneer 11, elle est ainsi le premier véhicule spatial à traverser la ceinture d'astéroïdes (1972), à effectuer un survol de la planète Jupiter (1973), puis à atteindre la vitesse de libération nécessaire pour quitter le Système solaire. Les données et photos collectées par les onze instruments embarqués permettent de lever certaines des inquiétudes des concepteurs des sondes du programme Voyager, beaucoup mieux équipées et lancées cinq années plus tard pour réaliser une étude détaillée de Jupiter, Saturne et leurs satellites.
La sonde de 258 kg est développée par la NASA dans le cadre du programme Pioneer et lancée le 3 mars 1972 par une fusée Atlas-Centaur D. En 1983, elle franchit l'orbite de la planète Neptune, la dernière planète du Système solaire, et s'éloigne depuis en direction de l'étoile Aldébaran qu'elle croisera dans deux millions d'années. Pioneer 10 est la première sonde spatiale équipée d'un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG), qui lui permet de s'affranchir de l'énergie solaire — très réduite aux distances des planètes supérieures — pour sa production d'énergie. Le dernier contact avec ce précurseur est établi le 23 janvier 2003.
Projets américains d'exploration des planètes supérieures dans les années 1960
Au début de l'ère spatiale, dans la première moitié de la décennie 1960, les missions d'exploration du Système solaire menées par la NASA, l'agence spatiale américaine, se concentrent sur la Lune et les deux planètes les plus proches de la Terre : Mars et Vénus. À la suite de leurs premiers succès, les trois centres spatiaux de la NASA impliqués dans les missions interplanétaires — le centre de recherche Ames, le centre de vol spatial Goddard et le Jet Propulsion Laboratory — étudient des missions visant des objectifs plus éloignés. Le centre de recherche Ames lance dans les années 1960 plusieurs petites sondes spatiales (Pioneer 6 à 9) qui étudient le milieu interplanétaire à proximité de la Terre. Fort du succès rencontré, le centre Ames débute la conception de deux nouvelles sondes spatiales, Pioneer F et Pioneer G, avec un programme similaire (étude du vent solaire, du rayonnement cosmique et autres caractéristiques du milieu interplanétaire), mais qui doivent s'éloigner jusqu'à une distance de quatre unités astronomiques du Soleil, soit quatre fois la distance Terre-Soleil. À la même époque, le centre Goddard étudie la mission Galactic Jupiter Probe, dont les objectifs comprennent l'étude de la ceinture d'astéroïdes et de l'environnement autour de la planète Jupiter. La sonde spatiale chargée de cette mission a recours pour la première fois dans une mission interplanétaire à un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG), qui utilise la chaleur dégagée par la désintégration du plutonium pour produire l'énergie qui lui est nécessaire. En effet, à grande distance du Soleil, les panneaux solaires, compte tenu du rendement obtenu à l'époque, ne sont plus une solution viable. Le centre Goddard propose de construire quatre sondes spatiales lancées par paires, pour un budget total de 100 millions de dollars américains. Le JPL, qui a rencontré un énorme succès avec ses sondes spatiales Mariner, propose de son côté la mission Navigator, un projet de sonde spatiale particulièrement ambitieux, avec une masse de 1 000 kg et un ensemble très complet d'instruments scientifiques. Ce projet est remplacé par le programme Grand Tour, qui propose d'utiliser une trajectoire mise au point par l'ingénieur Gary Flandro, exploitant une conjonction exceptionnelle des planètes supérieures qui ne se reproduit que tous les 176 ans. Celle-ci doit permettre à des sondes spatiales de survoler plusieurs de ces planètes pratiquement sans dépenser de carburant, uniquement en utilisant l'assistance gravitationnelle. Le projet du JPL n'est finalement pas retenu mais pose les fondations du programme Voyager, presque aussi ambitieux, dont le développement est lancé en juillet 1972.
L'Académie nationale des sciences des États-Unis produit à cette époque un rapport donnant une priorité maximale à l'étude de la planète Jupiter. Aussi, la NASA décide en 1967 de modifier l'objectif des missions Pioneer F et G pour y inclure l'étude de la planète géante et de rattacher celles-ci à sa division interplanétaire. L'agence spatiale annule par contre le projet Galactic Jupiter Probe du centre de vol spatial Goddard, car celui-ci est jugé trop coûteux et parce qu'il risque d'accaparer les ressources d'un établissement complètement mobilisé par le programme Apollo. Pour permettre aux sondes spatiales Pioneer de disposer de suffisamment d'énergie aux abords de Jupiter, éloignée de 5,2 ua du Soleil, elles utilisent les RTG envisagés par le centre Goddard. Un groupe de travail, baptisé Outer Space Panel et présidé par James Van Allen, définit les objectifs scientifiques qui seront assignés à ces missions, tandis que le centre spatial de la NASA définit les caractéristiques techniques des sondes spatiales. Le projet Pioneer Jupiter est lancé officiellement par la NASA en février 1969. La société TRW, qui a construit les autres sondes du programme Pioneer, est sélectionnée pour fabriquer les sondes Pioneer F et Pioneer G.
L'objectif de la mission des sondes spatiales Pioneer 10 et Pioneer 11 est d'étudier le milieu interplanétaire au-delà de l'orbite de la planète Mars, d'évaluer le risque de collision dans la ceinture d'astéroïdes et enfin d'étudier la planète Jupiter et son environnement. Les expériences scientifiques embarquées sont sélectionnées parmi 150 propositions effectuées à fin des années 1960 et au début des années 1970. Les deux sondes spatiales suivent des trajectoires différentes : la première sonde spatiale Pioneer 10 doit jouer un rôle d'éclaireur en effectuant la première traversée de la ceinture d'astéroïdes qui s'étend au-delà de Mars, puis doit survoler Jupiter et ses lunes. De son côté, Pioneer 11, lancée un an plus tard, suit initialement la même trajectoire mais utilise ensuite l'assistance gravitationnelle de Jupiter pour se diriger vers Saturne et survoler cette planète. Pour placer en orbite la sonde spatiale, le lanceur Atlas-Centaur D est retenu. Celui-ci permet de placer un engin d'environ une tonne sur une orbite interplanétaire. La trajectoire retenue pour atteindre Jupiter est directe (pas de recours à l'assistance gravitationnelle des planètes inférieures). Pour atteindre Jupiter, le lanceur est surmonté par un troisième étage à propergol solide Star 37E (en) de 1 127 kg, qui fournit une poussée de 66,7 kilonewtons. Les sondes Pioneer-F et Pioneer-G sont lancées respectivement en 1972 et 1973 et baptisées après leur lancement Pioneer 10 et Pioneer 11. En 2001, le coût total du programme est évalué à 350 millions de dollars dont 200 millions pour le développement et 150 millions pour le lancement, la gestion opérationnelle et l'exploitation des résultats.
Déroulement de la mission Pioneer 10
La fenêtre de lancement permettant le lancement de Pioneer 10 vers la planète Jupiter a une durée un peu supérieure à un mois et revient tous les treize mois. En 1972, elle s'ouvre le 25 février et se referme le 20 mars. La sonde spatiale Pioneer 10 est convoyée par avion depuis la Californie jusqu'à la base de lancement de Cap Canaveral en Floride en janvier 1972 et est préparée pour le lancement. Après deux tentatives avortées à cause de la vitesse du vent dans les couches supérieures de l'atmosphère, le lanceur Atlas-Centaur (AC-27) décolle le 2 mars 1972 depuis l'aire de lancement LC-36A (en). L'injection de la sonde spatiale sur sa trajectoire vers Jupiter est directe. Après avoir été largué par le lanceur, l'ensemble formé par l'étage supérieur Star 37E et la sonde spatiale est mis en rotation rapide (« spinné »), à 21 tours par minute, et le troisième étage est mis à feu durant 43 secondes avant d'être largué. Trente minutes après son lancement, les mâts servant de support au capteur du magnétomètre et aux générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) sont déployés, faisant chuter la vitesse de rotation à 4,8 tours par minute. Pioneer 10, qui atteint une vitesse de 14,356 km/s (51 682 km/h) par rapport à la Terre, établit un nouveau record de vitesse et dépasse l'orbite de la Lune seulement onze heures après son lancement. La sonde spatiale est placée sur une orbite héliocentrique, dont l'apogée se situe à 5,97 unités astronomiques du Soleil et l'inclinaison orbitale par rapport au plan de l'écliptique est de 1.92°.