航海家一號

**航海家 1 號**（Voyager 1）是美國國家航空暨太空總署（NASA）研製的一艘無人外太陽系太空探測器，重 825.5kg，於 1977 年 9 月 5 日發射，部分功能截至目前依然正常運作，並持續與 NASA 的深空網路通訊。它是有史以來距離地球最遠的人造飛行器，也是第一個離開太陽系的人造飛行器。受惠於幾次的引力加速，航海家 1 號的飛行速度比現有任何一個飛行器都要快些，這使得較它早兩星期發射的姊妹船航海家 2 號永遠都不會超越它。它的主要任務在 1979 年經過木星系統、1980 年經過土星系統之後，結束於 1980 年 11 月 20 日。它也是第一個提供了木星、土星以及其衛星詳細相片的探測器。2012 年 8 月 25 日，「航海家 1 號」成為第一個穿越太陽圈並進入星際媒介的宇宙飛船。截至 2020 年 8 月 2 日止，航海家 1 號正處於離太陽 150.02 AU（2.24×1010km）的位置，是離地球最遠的人造物體。

航海家 1 號目前在沿雙曲線軌道飛行，並已經達到了第三宇宙速度。這意味著它的軌道再也不能引導太空飛行器飛返太陽系，與沒法聯絡的先鋒 10 號及已停止操作的先鋒 11 號一樣，成為了一艘星際太空飛行器。

航海家 1 號原先的主要目標，是探測木星與土星及其衛星與環。現在任務已變為探測太陽風頂，以及對太陽風進行粒子測量。兩艘航海家號探測器，都是以三塊放射性同位素熱電機作為動力來源。這些發電機目前已經大大超出了起先的設計壽命，一般認為它們在大約 2030 年代之前，仍然可提供足夠的電力令太空飛行器能夠繼續與地球聯絡。鈽核電池能夠保證航海家號上搭載的科學儀器繼續工作至 2025 年。2036 年，訊號傳輸的電力將消耗殆盡。一旦電池耗盡，「航海家 1 號」仍將繼續向銀河系中心前進，但無法再向地球發回資料。

## 計劃背景

在 20 世紀 60 年代，NASA 提出「行星之旅計劃」（Planetary Grand Tour），研議發射一對探測器飛越所有的外行星，並計劃於 70 年代開始著手進行。 先鋒 10 號搜集到的資料讓科學家對木星磁場有更進一步的了解，幫助工程師設計更佳的探測器，以更有效地應對木星周圍強烈的輻射環境。但由於預算過高，行星之旅計劃便遭取消。

航海家 1 號原本被當成水手號計劃的一部分，並被命名為「水手 11 號」，但是後來由於預算遭到削減，NASA 便成立一個獨立的計劃，稱為「木星－土星水手計劃」，並同時將此計劃作為行星之旅計劃的縮小版本。後來，由於天文學家認為該探測器的設計已經大幅超過原先水手號計劃的探測器，值得獲得獨立的新名稱，因此將計劃改稱為「航海家計劃」。

## 構造

航海家 1 號是由噴氣推進實驗室建造的，其配有「姿態調節控制子系統」（ACS），包含 16 個聯氨推進器、三軸穩定陀螺儀，以及將探測器的無線電天線指向地球的儀器。該系統還包括了大多數儀器的冗餘單元和 8 個備用推進器。航海家 1 號還擁有 11 個科學儀器，用於研究如行星等在太空中飛行時可能會遭遇的天體。

### 通信系統

航海家 1 號的無線電通信系統被設計用來達到並超越太陽系的極限。該通信系統包括一個直徑 3.7 米（12 英尺）的高增益卡塞格林天線，通過地球上的三個深空網路站傳送和接收無線電波。航海家 1 號通常以 2.3 GHz 或 8.4 GHz 的頻率在深空網路通道 18 中傳輸資料，而從地球到航海家 1 號的訊號則以 2.1 GHz 發送。

當航海家 1 號無法與地球直接通信時，它的數字磁帶記錄器（DTR）可以記錄大約 67MB 的資料，以便在另一個時間傳輸。截至 2021 年，航海家 1 號發出的訊號需要超過 21 小時才能到達地球。

### 電池

航海家 1 號在吊杆上安裝了三個放射性同位素熱電機（RTG）（以下會簡稱為 RTG）。 每個 MHW-RTG 包含 24 個壓制的鈽 - 238 氧化物球體。 RTG 在航海家 1 號剛發射時能夠產生大約 470W 的電力，其餘的則作為餘熱消散。 由於燃料 87.7 年的半衰期和熱電偶的退化，RTG 的電力輸出會隨著時間的推移而下降，但該船的 RTG 能繼續讓船上的部份裝置持續執行至 2025 年。

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截至 2023 年 5 月 5 日，航海家 1 號還有 69.71％的鈽 - 238 燃料（與剛發射時相比）。至 2050 年，約將剩餘 56.5％的燃料。

### 電腦

與其他機載儀器不同的是，航海家 1 號的可見光相機不是自動操作的，而是由其中一個機載電腦「飛行資料子系統」（FDS）中的成像參數列控制。自 20 世紀 90 年代以來，太空探測器通常都裝備完全自動操作的相機。

「電腦指令子系統」（CCS）負責控制攝錄影機。CCS 包含了固定的電腦程式，如命令解碼、故障檢測和校正程式、天線指向程式和太空飛行器排序程式。這台電腦是上世紀 70 年代海盜號軌道飛行器使用的改良版。航海家中兩個客製化的 CCS 子系統的硬體是完全相同的，只是在軟體上做了小的修改：其中一個有科學子系統，而另一個沒有。

「姿態調節控制子系統」（ACS）控制太空飛行器的方向（姿態）。ACS 使高增益天線指向地球，控制姿態變化，並對掃描平台進行定位。兩個航海家的客製化 ACS 系統都是一樣的。

### 科學儀器

## 任務概要

航海家 1 號最初計劃屬於美國水手號計劃的一部分，它的設計利用了屬於當時的新技術引力加速。幸運的是，這次任務剛巧碰上了 176 年一遇的行星幾何排列。太空飛行器只需要少量燃料以作航道修正，其餘時間可以藉助各個行星的引力加速，以一艘太空飛行器就能造訪太陽系裡的四顆氣體巨行星：木星、土星、天王星及海王星。兩艘姊妹船航海家 1 號及 2 號就是為了這次機會而設計，它們的發射時間是被計算過以便儘量充分利用這次機會。亦拜這次機會所賜，兩艘太空飛行器只需要用上 12 年的時間就能造訪四個行星，而非一般的 30 年時間。

### 時間表

### 發射和​​軌跡

航海家 1 號在 1977 年 9 月 5 日於佛羅里達州的卡納維爾角，被搭載在一枚泰坦 3 號 E 半人馬座火箭上發射升空。剛好於航海家 2 號在同年 8 月 20 日的發射兩個星期之後不久。雖然發射時間較 2 號為後，但 1 號卻被發射進入更短的軌跡之中，讓它又比 2 號快一點到達到木星及土星。

最初，因為在泰坦 3 號 E 火箭燃燒過程的第二階段裡出現了約一秒鐘的燃燒不足，使地面的工作人員曾擔心會使太空飛行器因此而不能到達木星。後來幸好證實了在泰坦三 E 運載火箭的上層仍有足夠的燃料燃燒。

### 拜訪木星

航海家 1 號發射後，首次在 1979 年 1 月開始對木星進行拍攝。同年的 3 月 5 日，航海家 1 號飛行至距離木星中心 349,000 公里（217,000 英里）的最近點。由於在如此近距離掠過，以及更佳的相機解析度，太空飛行器在 48 小時的近距離飛行時間中，得以對木星的衛星、環、磁場以及輻射帶作深入瞭解及高解析度拍攝。整個拍攝過程最終於同年 4 月完成。

兩艘太空飛行器對木星及其衛星作出了不少重要發現，像是它的衛星、輻射帶以及發現木星竟有前所未見的行星環。最令人驚訝的是在木衛一上發現了火山活動。這個發現是在地球上從未觀察到的，就連先鋒 10 號及 11 號也並未觀察到。

### 拜訪土星

在順利地藉助了木星的引力後，太空飛行器朝土星的方向進發。航海家 1 號於 1980 年 11 月掠過土星，於 11 月 12 日飛行至距離土星最高雲層 124,000 公里（77,000 英里）以內的位置。太空飛行器探測到土星環的複雜結構，並且對土衛六上的大氣層進行了觀測。

航海家 1 號發現，土星上層大氣的大約百分之七是氦氣（相比之下，氦氣占木星大氣的百分之十一），而其餘的幾乎都是氫。由於預計土星的內部氦豐度與木星和太陽的氦豐度相同，因此高層大氣中較低的氦豐度可能意味著較重的氦可能會緩慢地通過土星的氫下沉。這可能解釋了土星輻射出的多餘熱量超過了從太陽接收到的能量。土星上的風速很高。在赤道附近，航海家號測得的風速約為 500 m/s（1,100 mph）。風向主要為東風。

航海家號在中緯度地區多大氣中發現了類似於極光的氫紫外線輻射，並在極地緯度（65 度以上）地區發現了極光。高水平的極光活動可能導致形成複雜的烴分子，這些分子被運往赤道。目前，土星上僅在陽光照射的地區出現的中緯度極光仍然是一個謎題，因為已知會在地球上引起極光的電子和離子轟擊主要發生在高緯度地區。航海家號測得土星的自轉週期（土星日的長度）為 10 小時 39 分 24 秒。

航海家 1 號的任務包括飛越土星最大的衛星土衛六（泰坦），據稱它具有大氣層。先鋒 11 號在 1979 年拍攝的相片表明，土衛六的大氣濃度很高而且很複雜，進一步增加了人們的興趣。飛越土衛六是在飛船進入土星系統時發生的。 航海家對大氣對太陽光的影響的測量以及對探測器對無線電訊號的影響的地基測量被用於確定大氣的成分，密度和壓力。土衛六的品質也通過觀察其對探針軌跡的影響來測量。濃密的大氣阻止了對表面的任何肉眼觀察，但是對大氣成分，溫度和壓力的測量使得人們推測表面上可能存在液態碳氫化合物色淀。

這次靠近土衛六的決定使太空飛行器受到了額外的引力影響，最終使太空飛行器飛過土星南極下方並離開了黃道，終止了它的行星探索任務。如果航海家 1 號飛躍失敗或未能成功觀測土衛六，航海家 2 號的軌跡將被改變以飛越土衛六，並放棄對天王星和海王星的存取。

## 星際探索任務

在離開土星後，航海家 1 號被美國太空總署形容為進行星際探索任務。估計兩艘航海家太空飛行器上的電池，均能夠提供足夠電力至 2020 年代中葉或更久，以供船上一部份的儀器操作。

### 日球層頂

由於航海家 1 號正向星際間的太空進發，船上的儀器將會繼續對太陽系進行研究。噴氣推進實驗室的科學家們正使用載於船上的電漿波實驗來驗證日球層頂的存在。

美國約翰・霍普金斯大學應用物理學實驗室的科學家們相信航海家 1 號於 2003 年 2 月已經進入了終端震波區域。但有些科學家在 2003 年 11 月 6 日的著名科學雜誌《自然》上表示質疑。而在 2005 年 5 月 25 日早上，在紐奧良舉行的美國地球物理學會（AGU）一個科學會議上，艾德・斯托恩博士呈上了航海家 1 號已於 2004 年 12 月離開了終端震波的證據 "SH22A-01" 。由於船上的太陽風檢測器早於 1990 年停止運作，所以這次討論在數月後仍未得出結論，只好期待其他資料到手為止。最終，美國太空總署於 2005 年 5 月發布新聞稿，宣布大家已有共識航海家 1 號正處於日鞘。

現時航海家 1 號顯然已完全進入日鞘，即介乎太陽系與星際物質之間的終端震波區域。如果航海家 1 號最終在離開日球層頂後仍能有效運作，科學家們將有機會首次量度到星際物質的實際情況。

## 現況

航海家 1 號在 2011 年 3 月 9 日距離太陽大約 116.406 個天文單位（約 10,816,616,569 哩或是約 0.00183 光年）。以光速往來太空飛行器和地球間的無線電訊號大約耗時 16.13 個小時。航海家 1 號目前的相對速度是 17.062 公里 / 秒或 61,452 公里 / 每小時（約 38,185 哩 / 每小時）。每年約 3.599 天文單位，比姐妹號航海家 2 號快了 10%。航海家 1 號在這樣的速度下，如果方位對準半人馬座比鄰星，將會花上 7 萬 3 千 6 百年的時間到達它。

航海家 1 號在 2011 年 3 月 9 日的位置在赤經 17.184 時、赤緯 12.14°，並且在黃道 34.9° 緯度位置，從地球上觀測來看它是朝向蛇夫座前進。美國太空總署每天持續用深空網路對航海家 1 號做追蹤。這個網路會以航海家 1 號的無線電訊號來測量高度和方位角，並且也會測量地球與航海家 1 號之間的距離。

航海家 1 號並沒有朝向任何特定的星座前進，但是在約 4 萬年後它會以 1.6 光年的距離經過蛇夫座的 AC+79 3888 恆星。這個恆星大體上來講正以每秒 119 公里的速度朝向我們的太陽系移動。

德國 AMSAT（業餘無線電衛星通訊組織）在 2006 年 3 月 31 日追蹤並接收到來自航海家 1 號的資料，他們於波鴻使用了一台 20 米的碟型天線配合長觀測時間技術。那些資料其後與深空網路位於西班牙馬德里的觀測站取得的資料進行了校對及驗證（AMSAT-DL 的德語檔案、ARRL 的英語檔案 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））。相信這是首次對航海家有這樣的追蹤。

天文學家在 2010 年 12 月 13 日證實航海家 1 號通過太陽風的盡頭，天文學家懷疑是由於星際風反向吹入太陽圈而使太陽風偏向另一邊。太陽風偵測讀數自 2010 年 6 月起一直保持在 0，提供了關鍵證據。子午線（南北向）的太陽風，也就是天文學家懷疑太陽風速度增加的地方並不能推斷航海家 1 號的目前位置。航海家 1 號在這一天距離太陽大約 173 億公里。

2012 年 6 月 14 日，科學家通過分析來自航海家 1 號的資料得出結論：第一艘人類製造的星際飛行器正位於太陽系邊緣，即將飛往星際空間。航海家 1 號預計在 2015 年 11 月 19 日將飛行至距離太陽 133.15 個天文單位。

2012 年 6 月 17 日，NASA 公布，經過 35 年的飛行，航海家 1 號已經離開太陽系，成為首個離開太陽系的人造物體。根據 NASA 的說法，證據如下：首先，「航海家 1 號」上攜帶了兩個高能望遠鏡，在過去 3 年裡，它們接收到了越來越多的宇宙射線。而且，從今年 5 月開始，這一資料急劇上升。其次，探測器還能感測到一種來自太陽的高能粒子，但是，近期這些粒子的數量也在不斷下降。基於這些資料，美國國家航空暨太空總署參與「航海家」專案的科學家埃德・斯通說：「人類向星際空間派出的首個使者已在太陽系邊緣。而它一旦進入星際空間，就將需要 4 萬年的時間才能抵達下一個行星系。

2012 年 9 月 9 日，距離地球約一百一十億英里，以每秒八英里的速度飛行，位處太陽系的邊緣位置，探測器目前依靠放射性同位素熱電機發電，系統最低限度運作至 2020 年。科學家表示，當探測器遇到三個情況，就可確定探測器已飛出太陽系，進入恆星際空間，包括來自太陽的太陽風風力急跌、宇宙射線水平飆升，及包圍探測器的磁場轉變。之後，科學家會將探測器調校至「節能模式」，讓探測器能運作多個世紀。

2013 年 9 月 12 日，NASA 確認，「航海家 1 號」探測器已經離開太陽系。NASA 的發言人表示：「航海家號已經到達了從來沒有探測器到達過的空間，這是人類的科學發展史上的里程碑。」一系列相關資料證明了航海家號已經脫離了包裹著太陽系的由熾熱而活躍的粒子組成的太陽圈頂層，進入了寒冷黑暗的恆星際空間。歷經 39 年的旅行，離地球約 206 億公里，終於成為第一個離開太陽系的人造物體。

2017 年 12 月 2 日，時隔 37 年航海家 1 號團隊的科學家與工程師對其發出了指令，命令它 4 個軌道修正推進器再次點火，以判斷飛行器的方向定位能力，最終航海家 1 號做出正確的回應。這些軌道修正推進器用於幫助保持探針的天線指向地球，使得航海家 1 號能夠繼續向 NASA 傳輸資料約兩到三年。 

關於航海家 1 號的更新資料（或航海家 2 號、先鋒 10 號、先鋒 11 號和新視野號）會即時公布在太空飛行器離開太陽系 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）以及每周任務報告（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。

航海家一號自 2017 年起不斷錄到來自星際空間、平穩持續的電漿波訊號，科學家相信有助了解星際空間的奧秘。

2022 年 7 月 9 日，美國無線電天文學家 Wael Farah 使用舊金山的艾倫望遠鏡陣的其中 20 個碟型天線並指向航海家 1 號的計算位置，捕獲並記錄到 15 分鐘的動態訊號頻譜，經與計算值比較後確認為航海家 1 號的訊號。

## 未來

航海家 1 號預計將在大約 300 年內抵達理論中的歐特雲，並得花上三萬年才能完全通過。儘管它在四萬年內不會走向任何一顆特定的恆星，但它將會以 1.6 光年內的距離通過目前在鹿豹座中的恆星葛利斯 445。 這顆恆星正以 119 km/s（430,000 km/h；270,000 mph）的速度朝太陽系移動中。NASA 說：「航海家註定 —— 也許永遠 —— 會漫遊在銀河系中。」

假設航海家 1 號不與任何物體發生碰撞並且沒有被收回，新視野號將永遠不會通過它，儘管它從地球發射的速度比任何航海家太空飛行器都快。新視野號目前以大約 15km/s 的速度行駛，比航海家 1 號行程慢 2km/s，並且仍在放緩。當新視野號抵達現在航海家 1 號相距太陽相同距離時，其速度將為 13 公里每秒（8 英里每秒）左右。

由於鈽燃料源的放射性衰變，放射性同位素熱電機提供的電功率會持續地下降，下降的速率為每年約 4.2W。由於可用的電功率持續下降，每隔一段時間必須關閉太空飛行器上的部分儀器，以確保剩下的儀器能繼續運作。

## 航海家唱片

航海家 1 號上攜帶了一張銅質磁碟唱片，內容包括用 55 種人類語言錄製的問候語和各類音樂，旨在向「外星人」表達人類的問候。唱片有 12 英寸厚，鍍金表面，內藏留聲機針。55 種人類語言中包括了古代美索不達米亞阿卡得語等非常冷僻的語言，以及四種中國的語言（標準漢語、粵語、閩南語、吳語）。問候語為：「行星地球的孩子（向你們）問好」。唱片還包括了以下內容：

* 時任聯合國秘書長庫爾特・瓦爾德海姆的問候。
* 時任美國總統卡特的問候，內容是：「這是一份來自一個遙遠的小小世界的禮物。上面記載著我們的聲音、我們的科學、我們的影像、我們的音樂、我們的思想和感情。我們正努力生活過我們的時代，進入你們的時代。」
* 一個 90 分鐘的聲樂集錦，主要包括地球自然界的各種聲音以及 27 首世界名曲，其中有中國古琴曲《流水》、莫扎特的《魔笛》和日本的尺八曲等。
* 115 幅影像，太陽系各行星的圖片、人類生殖器官圖像及說明等。

## 大眾文化中的航海家 1 號

航海家 1 號在小說《Fate/Requiem》中以「Voyager」的職階登場，在故事中被描述以小王子的形象現世，寶具為「遙遠的藍色星球啊」；以後在手機遊戲《Fate/Grand Order》中改編為以「Foreigner」的職階、但沿用相同寶具登場。
電影星艦迷航記，航海家 1 號被外星人截獲改造送回太陽系，造成地球毀滅危機。
電影後會無期，航海家 1 號是阿呂的偶像。

## 參考文獻

 

## 參閲

## 外部連結