Le projet Pioneer Venus (ou Pioneer Venus Project) était une mission d'exploration spatiale de la NASA à destination de Vénus lancée en 1978. Elle était composée de deux sondes distinctes, l'une chargée d'étudier Vénus depuis son orbite, l'autre d'analyser l'atmosphère de la planète grâce à 4 sondes atmosphériques. Les deux sondes Pioneer Venus ont été lancées par une fusée Atlas-Centaur.
Lancée le 20 mai 1978, la sonde Pioneer Venus Orbiter (ou Pioneer 12) s'est placée en juillet 1980 sur une orbite fortement elliptique de 24 heures qui variera au cours de la mission entre 142 x 66900 km et 2290 x 66900 km. D'un poids de 517 kg, Pioneer Venus Orbiter avait la forme d'un cylindre de 2,5 mètres de diamètre pour 1,2 mètres de haut. La plate-forme de la sonde avait été développée à partir de celle du satellite de télécommunications Intelsat 4 et certains autres composants venaient du programme OSO. Cette plate-forme a été également utilisée pour Pioneer Venus Multiprobe. La sonde disposait d'un moteur d'une poussée de 18,3 kN avec environ 200 kg d'ergols qui lui permit, en la freinant de 1060 m/s de se placer sur orbite. La sonde était stabilisée par rotation autour de son axe principal à raison de 15 tours par minute. Des cellules solaires placées à la surface du cylindre lui fournissait 312 W d'énergie.
La charge utile comportait 17 instruments d'un poids total de 45 kg, tous concentrés à une des 2 extrémités du cylindre sauf le magnétomètre placé au bout d'une perche de 4,7 mètres. Une antenne parabolique de 1,09 m de diamètre permettait de communiquer avec la Terre en fréquence S et X. La sonde embarquait un radar qui fut utilisé pour étudier la topographie et les caractéristiques du sol vénusien, des spectromètres de masse, ainsi que des instruments permettant d'étudier la composition et l'étagement des nuages, le rayonnement infrarouge et X, la densité atmosphérique, la gravité locale, le vent solaire, la composition de l'atmosphère…
Lancée le 8 août 1978, la sonde Pioneer Venus Multiprobe (ou Pioneer 13), d'un poids total de 875 kg emportait 4 modules de descente. Le plus important fut largué par la sonde le 16 novembre 1978 tandis que 3 modules plus petits étaient largués le 20 novembre. Les 4 modules pénétrèrent dans l'atmosphère de Vénus le 9 décembre suivis de peu par la sonde elle-même. Les sondes atmosphériques étaient pressurisées et conçues pour survivre suffisamment longtemps aux conditions particulièrement hostiles de l'atmosphère vénusienne : vents extrêmement violents, pression atmosphérique au sol 93 fois supérieure à celle de la Terre, température atteignant plus de 400°C au sol, composés chimiques très agressifs dans l'atmosphère, luminosité faible dans les basses couches atmosphériques.
Le module de descente le plus important, d'un poids de 315 kg emportait 7 instruments dans une sphère scellée de 73 cm protégée par un bouclier. Après avoir été freinée jusqu'à la vitesse de 11,5 km/s par sa rentrée dans l'atmosphère au niveau de l'équateur, la sonde largua le bouclier et déploya un parachute à une altitude de 47 km. Les instruments, qui fonctionnaient grâce à des batteries embarquées, étaient un spectromètre de masse et un chromatographe en phase gazeuse pour mesurer la composition de l'atmosphère, des capteurs de pression et de température ainsi que des accéléromètres, un radiomètre à infrarouge pour mesurer le rayonnement infrarouge, un spectromètre pour étudier la composition des nuages, un radiomètre pour étudier la pénétration du rayonnement solaire, un néphélomètre pour analyser les particules dans les nuages. Les observations étaient effectués durant la descente d'une durée d'une heure et demi. La capsule pressurisée comportait neuf fenêtres d'observation pour les instruments et 3 entrées pour recueillir des échantillons de l'atmosphère.
Les 3 petits modules de descente, d'un poids de 90 kg chacun, étaient dépourvus de parachutes. Les 3 modules entrèrent dans l'atmosphère en des points distants. Ils disposaient de 3 instruments pour étudier l'atmosphère : un néphélomètre, des capteurs de température, pression et accélération ainsi qu'un radiomètre pour mesurer la distribution de l'énergie radiative.
La sonde elle-même dépourvue de protection effectua des mesures en rentrant dans l'atmosphère grâce à deux spectromètres de masse avant d'interrompre ses émissions à l'altitude de 110 km.
Les objectifs du projet Pioneer-Venus ont été atteints. La carte obtenue grâce au radar, même si sa résolution était limitée à 1 pixel pour 20 km, était la première carte presque complète de Vénus (93% de la surface cartographiée). Pioneer Venus Orbiter, dont la durée de vie prévue était de 8 mois, survécut jusqu'en 1992. La sonde permit d'observer les vents changeants de l'atmosphère vénusienne sur une longue période. Les sondes atmosphériques de Pioneer Venus Multiprobe permirent de connaitre avec beaucoup plus de précision la composition de l'atmosphère. Une des trois petites sondes atmosphériques survécut à l'atterrissage sur le sol vénusien qu'elle avait heurté à une vitesse de 35 km/h et continua à émettre durant 67 minutes. C'était la première sonde américaine à réussir un atterrissage sur Vénus. Cette première, non prévue par les responsables de la mission, fut éclipsée 16 jours plus tard par l'atterrissage de la sonde soviétique Venera 11 qui continua à fonctionner durant 95 minutes après l'atterrissage.
Pioneer Venus Orbiter eut un successeur la sonde Magellan.