Voyager 1

Voyager 1 là một tàu thăm dò không gian của NASA. Nó được phóng đi ngày 5 tháng 9 năm 1977, như một phần của chương trình Voyager. "Voyager 1" có nhiệm vụ nghiên cứu bên ngoài hệ Mặt Trời và không gian liên sao bên ngoài nhật quyển của Mặt Trời. "Voyager 1" đã hoạt động được kể từ . "Voyager 1" giao tiếp thông qua Mạng lưới giám sát Không gian Sâu của NASA để nhận các lệnh thông thường và truyền dữ liệu về Trái Đất.
Nhiệm vụ đầu tiên của nó là tiếp cận Sao Mộc và Sao Thổ; đây là tàu vũ trụ đầu tiên cung cấp các hình ảnh chi tiết về các vệ tinh tự nhiên của hai hành tinh này.
Lịch sử.
Vào những năm 60, đề xuất về một chuyến Grand Tour để nghiên cứu các hành tinh khí khổng lồ đã khiến NASA khởi động một phi vụ không gian mới vào những năm đầu thập niên 70. Những thông tin thu được từ tàu "Pioneer 10" sẽ giúp các kĩ sư của Voyager thiết kế con tàu sao cho nó có thể chống chịu tốt hơn môi trường bức xạ cực mạnh quanh Sao Mộc.
Ban đầu, "Voyager 1" được dự định là tàu "Mariner 11" thuộc chương trình Mariner. Do ngân sách bị cắt giảm, quy mô của phi vụ đã bị thu nhỏ lại và chỉ đi đến Sao Mộc và Sao Thổ.
Thiết kế.
"Voyager 1" được chế tạo bởi Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA. Thân tàu có hình thập giác rỗng với 10 ngăn ở các cạnh để chứa các thiết bị điện tử, phần rỗng ở giữa được dùng để đặt bình nhiên liệu. Con tàu được trang bị 11 thiết bị khoa học để nghiên cứu các vật thể như hành tinh khi nó bay qua.
Hệ thống liên lạc.
Hệ thống liên lạc radio của tàu "Voyager 1" được thiết kế để hoạt động ngoài phạm vi hệ Mặt Trời. Hệ thống bao gồm một ăng-ten chảo có đường kính 3.7m với hệ số khuếch đại lớn dùng để phát và nhận sóng radio từ 3 trạm Mạng lưới giám sát Không gian Sâu trên Trái Đất. Con tàu truyền dữ liệu về Trái Đất qua kênh 18 của trạm Mạng lưới giám sát Không gian Sâu, dùng tần số 2.3 GHz (băng tần S) và 8.4 GHz (băng tần X). Tín hiệu từ Trái Đất được phát tới "Voyager 1" qua tần số 2.1 GHz.
Khi "Voyager 1" không thể liên lạc trực tiếp được với Trái Đất, những băng ghi dữ liệu kĩ thuật số (Digital Tape Recorder - DTR) của nó có thể ghi khoảng 64 kilobyte dữ liệu để truyền về Trái Đất ở thời điểm khác. Vào tháng 2 năm 2016, tín hiệu từ "Voyager 1" mất 37 tiếng để đến Trái Đất.
Động cơ và năng lượng.
"Voyager 1" có ba máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) gắn trên một xà kim loại. Mỗi cái chứa 24 viên nén plutoni-238 oxide hình cầu. Các cặp nhiệt điện silic-germani sẽ biến đổi nhiệt từ sự phân rã của plutoni-238 thành điện năng. Các máy phát RTG tạo ra khoảng 470 watt điện vào thời điểm phóng, phần điện dư được chuyển thành nhiệt và tỏa vào không gian. Lượng điện phát ra từ các máy phát RTG giảm dần theo thời gian (do chu kì bán rã 87.7 năm của plutoni-238 và sự suy giảm hiệu suất của các cặp nhiệt điện), nhưng các máy phát RTG sẽ vẫn tiếp tục phát đủ điện để duy trì hoạt động của tàu đến năm 2025.
Hiện tại "Voyager 1" chỉ còn lại % lượng plutoni-238 mà nó có lúc phóng. Vào năm 2025, lượng plutoni-238 sẽ giảm xuống còn %.
Hệ thống máy tính.
Tàu "Voyager 1" có 3 hệ thống máy tính chính:
Hệ thống máy tính điều khiển (Computer Command Subsystem - CCS) bao gồm 2 bộ vi xử lý 18-bit với xung nhịp 250 kHz và 2 bộ nhớ 8KB. Các chương trình giúp biên dịch, thực thi lệnh, phát hiện và xử lý lỗi, điều khiển camera... chiếm 5,5KB dung lượng bộ nhớ. 2,5KB dung lượng còn lại là để chứa các chuỗi lệnh điều khiển hoạt động của tàu. Hệ thống máy tính này là phiên bản cải tiến của hệ thống dùng trên tàu "Viking 1".
Hệ thống kiểm soát tư thế bay và khớp động (Attitude and Articulation Control Subsystem - AACS) điều khiển tư thế của tàu, giữ ăng-ten chính hướng về Trái Đất... Hệ thống AACS chứa bộ vi xử lý và bộ nhớ tương tự như hệ thống CCS.
Hệ thống quản lý dữ liệu bay (Flight Data Subsystem - FDS) giúp thu thập, định dạng dữ liệu từ các thiết bị khoa học và cảm biến để lưu trữ trên tàu hoặc truyền về Trái Đất, ngoài ra nó còn kiểm soát bộ đếm thời gian giúp đồng bộ hoạt động của các thiết bị trên tàu. Hệ thống FDS chứa 2 bộ vi xử lý 16-bit và 2 bộ nhớ 16KB.
Thiết bị khoa học.
"Voyager 1" mang theo 11 thiết bị khoa học bao gồm hai camera, một phân cực kế quang học, hai quang phổ kế, 3 máy dò hạt, 2 hệ thống đo sóng radio, plasma và một 1 từ kế. Các thiết bị này sẽ nghiên cứu các đặc điểm của những thứ mà "Voyager 1" bay qua như khí quyển, từ quyển, trọng trường, thành phần hóa học, cấu tạo bề mặt...
Hệ thống chụp ảnh khoa học (Imaging Science Subsystem - ISS).
Hệ thống này bao gồm 2 camera. Một camera góc rộng có độ phân giải trung bình được trang bị ống kính 200mm với khẩu độ f/3 và một camera góc hẹp được trang bị ống kính 1500mm với khẩu độ f/8.5. Cả hai camera được trang bị 8 bộ lọc màu được gắn trên một bánh quay và đều sử dụng một phiên bản cải tiến của cảm biến vidicon sử dụng trong camera của các tàu Mariner để thu nhận hình ảnh. Cả hai camera được điều khiển bởi hệ thống máy tính FDS. Thông số điều khiển được lưu trong bộ nhớ của hệ thống máy tính này.
Hồ sơ phi vụ.
"Voyager 1" ban đầu được dự định là "Mariner 11" thuộc chương trình Mariner. Từ khi được đặt ra, nó đã được thiết kế để lợi dụng kỹ thuật tân tiến khi ấy là hỗ trợ hấp dẫn. May mắn thay, việc phát triển các tàu vũ trụ liên hành tinh trùng với thời điểm cả bốn hành tinh khí khổng lồ trong hệ Mặt Trời thẳng hàng, xảy ra sau mỗi 175 năm (Grand Tour).
Các tàu vũ trụ hầu như giống nhau "Voyager 1" và "Voyager 2" đã được thiết kế với tính toán trước về Grand Tour, và những thời điểm phóng của chúng được điều chỉnh để chúng có thể lợi dụng tốt được nó nếu mọi việc diễn ra xuôn sẻ. Tuy nhiên, hai tàu vũ trụ chỉ được Nghị viện cấp vốn như các tàu vũ trụ Sao Mộc-Sao Thổ. Ở một thời điểm, chương trình đã được gọi là dự án "Mariner Jupiter-Saturn".
Vì sự kiện các hành tinh thẳng hàng đáng chú ý này, một tàu vũ trụ lớp Voyager có thể tới thăm cả bốn hành tinh bên ngoài kể trên chỉ trong 12 năm thay vì xấp xỉ 30 năm như bình thường.
Tàu "Voyager 1" được phóng đi ngày 5 tháng 9 năm 1977 từ Mũi Canaveral, Florida, trên tên lửa đẩy Titan IIIE/Centaur, trong khi "Voyager 2" được phóng đi vào ngày 20 tháng 8 năm 1977. Dù được phóng sau "Voyager 2", "Voyager 1" bay đi theo một quỹ đạo hơi ngắn hơn và nhanh hơn, vì thế nó tới cả Sao Mộc và Sao Thổ trước "Voyager 2".
Về chi tiết của các gói dụng cụ giống nhau trên các tàu Voyager, xem bài viết riêng về toàn bộ chương trình Voyager.
Sao Mộc.
"Voyager 1" bắt đầu chụp ảnh Sao Mộc tháng 1 năm 1979. Lần tiếp cận gần nhất của nó với Sao Mộc diễn ra ngày 5 tháng 3 năm 1979, ở khoảng cách khoảng từ tâm hành tinh. Vì có được độ phân giải hình ảnh lớn hơn khi tiếp cận gần hơn, đa số các quan sát vệ tinh, vành đai, từ trường, và môi trường vành đai bức xạ của hệ Sao Mộc được thực hiện trong giai đoạn 48 giờ trong lần tiếp cận gần nhất này. "Voyager 1" kết thúc việc chụp ảnh hệ Sao Mộc vào tháng 4 năm 1979.
Hai tàu vũ trụ "Voyager" đã thực hiện một số phát hiện quan trọng về Sao Mộc, các vệ tinh của nó, các vành đai bức xạ, và các đĩa hành tinh chưa từng được thấy trước kia của nó. Phát hiện đáng ngạc nhiên nhất về hệ Sao Mộc là sự hiện diện của hoạt động núi lửa trên vệ tinh Io, vốn chưa từng được quan sát thấy từ Trái Đất, hay bởi "Pioneer 10" hay "11".
Sao Thổ.
Sự hỗ trợ phóng hấp dẫn của Sao Mộc đã được cả hai tàu Voyager thực hiện thành công, và hai tàu bắt đầu tới thăm Sao Thổ cùng hệ thống các vệ tinh vành đai của nó. Chuyến bay vào hệ Sao Thổ của "Voyager 1" diễn ra tháng 11 năm 1980, với lần tiếp cận gần nhất ngày 12 tháng 11 năm 1980, khi tàu vũ trụ vào trong khoảng cách từ các đám mây cao nhất của Sao Thổ. Các camera trên tàu vũ trụ đã phát hiện các kết cấu phức tạp trong các vành đai của Sao Thổ, và các thiết bị cảm biến xa của nó đã nghiên cứu các khí quyển của Sao Thổ cùng vệ tinh Titan của hành tinh này.
Vì "Pioneer 11" một năm trước đó đã phát hiện ra bầu khí quyển dày của Titan, các thiết bị điều khiển tàu vũ trụ của Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực đã được lựa chọn cho "Voyager 1" để thực hiện một cuộc tiếp cận gần tới Titan, và cũng là cần thiết để chấm dứt Grand Tour của nó tại đó. (Về sự tiếp tục của Grand Tour, xem các đoạn Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương ở bài "Voyager 2").
Quỹ đạo phóng của nó với một đường bay ngang qua Titan đã tạo ra một sự chệch hướng hấp dẫn thừa khiến "Voyager 1" vượt ra ngoài mặt phẳng hoàng đạo, vì thế chấm dứt phi vụ khoa học hành tinh của nó. "Voyager 1" đã có thể được đưa vào một quỹ đạo phóng khác, theo đó hiệu ứng súng cao su hấp dẫn của khối lượng Sao Thổ sẽ lái và phóng "Voyager 1" ra ngoài theo đường bay qua Sao Diêm Vương. Tuy nhiên, lựa chọn này đã không được thực hiện, bởi quỹ đạo phóng khác bay qua Titan đã được quyết định để có được thêm giá trị khoa học và giảm bớt nguy cơ.
Sứ mệnh liên sao.
Ngày 14 tháng 2 năm 1990, "Voyager 1" chụp bức ảnh "Family Portrait" đầu tiên của hệ Mặt Trời nhìn từ bên ngoài, bao gồm bức ảnh nổi tiếng được gọi là "Đốm Xanh Mờ". Ước tính cả hai tàu Voyager có đủ năng lượng điện để truyền sóng radio ít nhất cho tới năm 2025, sẽ là hơn 48 năm sau khi phóng. "Voyager 1" là tàu vũ trụ còn đang hoạt động cách xa Trái Đất nhất.
Nhật quyển.
Khi "Voyager 1" hướng tới không gian liên sao, các thiết bị của nó tiếp tục nghiên cứu hệ Mặt Trời; các nhà khoa học tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực đang sử dụng các thiết bị sóng plasma trên tàu "Voyager 1" và "2" để tìm kiếm nhật dừng.
Termination shock.
Các nhà khoa học tại Applied Physics Laboratory, đại học Johns Hopkins tin rằng "Voyager 1" đã vào termination shock vào tháng 2 năm 2003. Một số nhà khoa học khác đã bày tỏ sự nghi ngờ, bàn luận trên tờ báo "Nature" số ngày 6 tháng 11 năm 2003. Trong một buổi họp khoa học tại American Geophysical Union ở New Orleans, sáng ngày 25 tháng 5 năm 2005, tiến sĩ Ed Stone đã trình bày bằng chứng rằng "Voyager 1" đang vượt qua shock cuối cùng vào tháng 12 năm 2004.
Vấn đề sẽ không được giải quyết cho tới khi có các dữ liệu khác, bởi thiết bị dò gió Mặt Trời của "Voyager 1" đã ngừng hoạt động năm 1990. Hư hỏng này có nghĩa rằng việc thám sát termination shock cuối cùng phải được suy luận từ dữ liệu từ các thiết bị khác trên "Voyager 1".
Tuy nhiên, vào tháng 5 năm 2005, một thông cáo báo chí của NASA nói rằng có một đồng thuận rằng "Voyager 1" hiện ở trong heliosheath. Các nhà khoa học dự đoán tàu vũ trụ sẽ tới nhật dừng vào năm 2015.
Đĩa Vàng Voyager.
Bên trong tàu vũ trụ có một trong hai Đĩa Vàng Voyager. Đĩa ghi này có chứa các âm thanh và hình ảnh lựa chọn để thể hiện sự đa dạng của cuộc sống và văn hoá trên Trái Đất. Nó được dự định gửi cho bất kỳ hình thức sự sống thông minh ngoài Trái Đất nào, hay cho con người tương lai, có thể tìm thấy nó.