Voyager 1 – bezzałogowa sonda kosmiczna NASA, wystrzelona 5 września 1977 roku z Przylądka Canaveral na Florydzie w ramach programu Voyager. W roku 2024 sondę dzieliła od Ziemi odległość około 164 au i była ona najdalszym i ciągle działającym obiektem wysłanym w przestrzeń kosmiczną przez człowieka. Sygnał wysłany przez sondę w kierunku anten Deep Space Network potrzebował ponad 22 godzin na przebycie tej drogi.
Sondy Voyager wykorzystały technikę przyspieszania w polu grawitacyjnym mijanych planet, co pozwoliło na osiągnięcie dużych prędkości bez konieczności używania paliwa. Voyager 1, wystrzelony 16 dni później niż Voyager 2, wyprzedził swoją siostrzaną jednostkę i pierwszy dotarł do dalszych planet Układu Słonecznego. Asysty grawitacyjne uczyniły z niego najszybszy obiekt wysłany przez człowieka w kosmos.
Pierwotnym celem misji Voyagera 1 było zbadanie Jowisza i Saturna oraz ich księżyców. Po zakończeniu eksploracji planet, główne zadanie stanowi badanie krańcowych obszarów heliosfery oraz pomiar właściwości fizycznych przestrzeni międzygwiezdnej.
Od grudnia 2004 sonda znajdowała się w obszarze płaszcza Układu Słonecznego. W sierpniu 2012 roku Voyager 1, jako pierwsza sonda wykonana przez człowieka, przekroczył heliopauzę i znalazł się w przestrzeni międzygwiezdnej. Oceniano wtedy, że zasilanie energią elektryczną pozwoli utrzymać funkcjonowanie sondy do około 2025 roku.
Cele naukowe programu Voyager Misja główna Głównym zadaniem misji obu sond Voyager była eksploracja układów Jowisza i Saturna. Po zakończonych sukcesem przelotach obok tych planet NASA wydała zgodę na przedłużenie misji sondy Voyager 2 do, kolejno, Urana i Neptuna.
Zadania wykonywane podczas przelotu obok każdej z mijanych planet obejmowały:
zbadanie cyrkulacji, dynamiki, struktury i składu atmosfery planety, scharakteryzowanie morfologii, geologii i stanu fizycznego księżyców planety, wyznaczenie poprawionych wartości dla masy, rozmiarów i kształtu planety, jej księżyców i pierścieni, określenie struktury pola magnetycznego i scharakteryzowanie składu oraz dystrybucji uwięzionych w nim cząstek naładowanych i plazmy.
Misja Międzygwiezdna Eksploracja planet zakończyła się wraz z przelotem Voyagera 2 obok Neptuna w 1989 roku. Głównym celem przedłużonej misji sond Voyager jest rozszerzenie eksploracji Układu Słonecznego poza planety zewnętrzne, do krańcowych obszarów heliosfery i – po przekroczeniu heliopauzy – dotarcie do lokalnego ośrodka międzygwiazdowego.
Zadania naukowe wykonywane podczas tej fazy misji obejmują: charakteryzacja ewolucji wiatru słonecznego przy zwiększającej się odległości od Słońca, obserwacja zmienności cyklu słonecznego w odległym ośrodku międzyplanetarnym, zbadanie zmienności w ośrodku międzyplanetarnym na różnych szerokościach ekliptycznych, poszukiwanie promieni kosmicznych o niskiej energii, scharakteryzowanie mechanizmów przyspieszania cząstek i mechanizmów osiągania przez plazmę równowagi termodynamicznej w ośrodku międzyplanetarnym, poszukiwanie oznak obecności międzygwiazdowego wodoru i helu pochodzących z wiatru międzygwiazdowego, obserwacja i określenie charakterystyki szoku końcowego naddźwiękowego wiatru słonecznego, scharakteryzowanie poddźwiękowego wiatru słonecznego poza szokiem końcowym, obserwacja i określenie charakterystyki heliopauzy, scharakteryzowanie lokalnego ośrodka międzygwiazdowego i związanych z nim emisji radiowych, obserwacja emisji radiowych pochodzących ze Słońca i wiatru słonecznego, monitorowanie emisji promieniowania Słońca w zakresie skrajnego ultrafioletu, poszukiwanie gazu międzyplanetarnego i międzygwiazdowego.
Konstrukcja sond Voyager mały|Schemat konstrukcji sondy Voyager
Obydwie sondy Voyager mają jednakową konstrukcję. Kadłub sondy ma kształt dziesięciobocznego pierścienia, o wysokości 47 cm i średnicy 1,78 m, otaczającego centralny zbiornik z hydrazyną. We wnętrzu kadłuba znajduje się wyposażenie elektroniczne, w tym komputery, rejestrator danych i nadajniki radiowe. Podstawowe urządzenia sondy zostały zdublowane. Do górnej powierzchni kadłuba zamontowana jest paraboliczna antena główna o wysokim zysku (HGA), mająca średnicę 3,66 m. Do kadłuba przymocowane są też trzy wysięgniki z dodatkowym wyposażeniem. Większość instrumentów naukowych umieszczono na wysięgniku naukowym o długości 2,5 m. Na jego końcu znajduje się ruchoma platforma skanująca, na której zamontowano kamery, fotopolarymetr, spektrometry oraz detektory plazmy i cząstek naładowanych. Instrumenty te mogły być dzięki temu precyzyjnie ustawiane w kierunku obserwowanych obiektów. Na oddzielnym wysięgniku o długości 13 m zostały zamontowane magnetometry. Na trzecim wysięgniku, umieszczonym po przeciwnej do wysięgnika naukowego stronie kadłuba, znajdują się radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG). Dwie prostopadłe anteny o długości 10 m służą do odbioru fal plazmowych i badań radioastronomicznych. Sonda jest stabilizowana trójosiowo, a antena wysokiego zysku jest zawsze skierowana ku Ziemi.
Sonda ma 70 kilobajtów pamięci komputerowej – nieco więcej niż komputery 8-bitowe jak Atari 65XE, dla porównania przeciętny smartfon w 2017 roku miał ponad 14000 razy więcej pamięci, co pokazuje jak rozwinęła się technika w czasie działania sondy. Do wysłania sygnału na Ziemię sonda potrzebuje zasilania o mocy 22 W, a prędkość transmisji aktualnie wynosi 160 bitów na sekundę (w 2021 roku).
Zasilanie w energię mały|Dwa radioizotopowe generatory termoelektryczne (MHW-RTG ang. Multi Hundred Watt Radioisotope Thermoelectric Generators Energia elektryczna dostarczana jest przez trzy radioizotopowe generatory termoelektryczne (MHW-RTG). Każdy generator ma 50,8 cm długości, 40,6 cm średnicy, masę 39 kg i zawiera dwutlenek plutonu-238 (238PuO2) w postaci 24 sprasowanych sfer. Osłona zbudowana jest z berylu, wykorzystując jego wytrzymałość mechaniczną, dobre przewodnictwo ciepła i niewielką masę. Na niej zamontowanych jest 312 termopar krzemowo-germanowych. Układ ten zaizolowany jest 60 warstwami folii molibdenowej przekładanych warstwami materiału wykonanego z krzemionki. Ponadto, aby zapobiec sublimacji, elementy generatora pokryte są cienką warstwą azotku krzemu, . Na początku misji generatory wytwarzały napięcie stałe o wartości 30 V i łącznej mocy około 475 W. Dostarczana energia zmniejsza się z czasem z powodu rozpadu radioaktywnego plutonu i degradacji elementów ogniw termoelektrycznych.
Tempo spadku mocy wynosi średnio około 4,3 W rocznie, co zmusza do stopniowego wyłączania mniej kluczowych systemów pokładowych i instrumentów naukowych. W styczniu 2015 roku generatory sondy Voyager 1 wytwarzały energię o mocy 254,6 W, a generatory Voyagera 2 energię o mocy 255,8 W.
Łączność Łączność z sondami utrzymywana jest głównie za pośrednictwem anteny o wysokim zysku (High-Gain Antenna, HGA) o średnicy 3,66 m. Kąt połowy mocy HGA dla pasma X wynosi 0,5°, a dla pasma S 2,3°. Na strukturze nośnej HGA zamontowana jest także antena o niskim zysku (LGA), która używana była sporadycznie podczas niektórych manewrów i w razie problemów z utrzymaniem łączności. Każda sonda ma dwa transpondery (główny i zapasowy). Każdy z transponderów zawiera nadajniki pracujące w paśmie S (2295 MHz) i w paśmie X (8418 MHz) oraz odbiornik w paśmie S (2113 MHz). Voyagery były pierwszymi sondami, które używały pasma X jako głównej częstotliwości nadawczej. Nadajnik w paśmie S mógł pracować z mocą 9,4 W oraz 28,3 W, natomiast nadajnik w paśmie X z mocą 12 W oraz 21,3 W.
Dane mogą być magazynowane na pokładzie sond, do późniejszej transmisji na Ziemię, przy użyciu cyfrowego napędu taśmowego (Digital Tape Recorder) zapisującego na ośmiu ścieżkach z maksymalną szybkością 115,2 kilobitów na sekundę. Pojemność taśmy wynosi 536 megabitów, co jest równoważne zapisowi 96 zdjęć z kamer sondy.
Na Ziemi łączność z sondą utrzymywana jest przy użyciu sieci Deep Space Network (DSN) z antenami o średnicach 34 i 70 m, rozmieszczonymi w trzech kompleksach – w okolicy Madrytu w Hiszpanii, Canberry w Australii i Goldstone (w pobliżu Barstow) w Kalifornii.
Dane naukowe mogły być transmitowane w paśmie X z maksymalną szybkością 115,2 kb/s (przy Jowiszu). Możliwa do uzyskania szybkość przekazu maleje wraz ze wzrostem odległości sond od Ziemi – przy Saturnie wynosiła 44,8 kb/s, przy Uranie i Neptunie (Voyager 2) 21,6 kb/s. Podczas obecnej fazy misji Voyager (Misja Międzygwiezdna) dane typowo przesyłane są z sond w paśmie X w czasie rzeczywistym, z szybkością 160 b/s i odbierane przez anteny DSN o średnicy 34 m. Dane z szerokopasmowego odbiornika fal plazmowych o wysokim tempie zapisu (115,2 kb/s) na pokładzie Voyagera 1 są okresowo zapisywane na taśmie i co około pół roku przesyłane z szybkością 1,4 kb/s, co wymaga odbioru przez 70-metrową antenę DSN. Ponieważ dane z tego instrumentu na pokładzie Voyagera 2 nie są już dłużej użyteczne, pamięć taśmowa na jego pokładzie została w 2007 roku wyłączona.
Instrukcje ze stacji naziemnych są przesyłane do sond w paśmie S z szybkością 16 bitów na sekundę.
Systemy sterowania Konstrukcja sond umożliwia ich funkcjonowanie w stopniu wysoce autonomicznym. Na pokładzie znajdują się trzy połączone ze sobą systemy komputerowe, każdy złożony z dwóch komputerów – głównego i zapasowego: Computer Command Subsystem (CCS) – główne komputery sterujące sondy. CCS jest odpowiedzialny za utrzymywanie łączności z Ziemią, przetwarza i wykonuje instrukcje sterujące pracą instrumentów naukowych i innych systemów sondy. Zawiera algorytmy rozpoznające nieprawidłowości w funkcjonowaniu sondy i zapewniające ochronę przed ich skutkami. Attitude and Articulation Control Subsystem (AACS) – odpowiedzialny za kontrolę położenia sondy. AACS utrzymuje antenę wysokiego zysku w pozycji skierowanej w kierunku Ziemi, steruje manewrami korekcyjnymi oraz ruchami platformy skanującej.
Do kontroli położenia wykorzystywane są trzy żyroskopy (używane jedynie przez krótki czas, do kilku godzin, podczas niektórych manewrów) oraz czujniki Słońca (Sun Sensor) i gwiazd (Canopus Star Tracker). Sterowany przez AACS system napędowy składa się z 16 silników o ciągu 0,889 N każdy. Cztery służą do wykonywania manewrów korekcji trajektorii, pozostałe służące do stabilizacji położenia sondy podzielono na dwa zestawy po 6 silników. Materiał pędny stanowi hydrazyna, której początkowy zapas wynosił 90 kg. W styczniu 2015 roku na pokładzie Voyagera 1 pozostało 17,38 kg, a Voyager 2 miał zapas 25,27 kg hydrazyny.
Flight Data Subsystem (FDS) – kontroluje pracę instrumentów naukowych, zbiera i formatuje dane naukowe i inżynieryjne przeznaczone do transmisji na Ziemię oraz koduje i wykonuje kompresję tych danych.
Instrumenty naukowe Na pokładzie każdej z sond Voyager zostało zainstalowanych 10 instrumentów naukowych. Instrumenty te, oraz system telekomunikacyjny sond, posłużyły do przeprowadzenia 11 eksperymentów:
Eksperyment Konstrukcja instrumentu Kierownik (Principal Investigator) Zadania Imaging Science Subsystem (ISS):
Narrow Angle Camera (ISS-NA) – kamera wąskokątna
Wide Angle Camera (ISS-WA) – kamera szerokokątna Dwie kamery, każda zaopatrzona w detektor widikonowy z siarczku selenu o rozdzielczości 800 × 800 pikseli i osiem filtrów barwnych; obserwacje w zakresie długości fal 280–640 nm: ISS-NA – optykę stanowi teleskop Cassegraina o ogniskowej 1500 mm, f/8.5, aperturze 176,5 mm i polu widzenia 7,5 × 7,5 mrad; ISS-WA – układ Petzvala o ogniskowej 201 mm, f/3.5, aperturze 57 mm i polu widzenia 55,6 × 55,6 mrad.
Masa: 38,17 kg.