Voyager 1

Voyager 1 (po slovensky Cestovateľ) je medziplanetárna kozmická sonda pre výskum vonkajšej časti slnečnej sústavy. Váži 721,9 kg, bola vypustená 5. septembra 1977 a je stále funkčná. Sonda je od Zeme najvzdialenejší ľudský výtvor a spolu so sondou Voyager 2 najdlhšie fungujúcou sondou ľudskej histórie. Hlavným cieľom Voyageru 1 bol prieskum planét Jupiter, Saturn, ich mesiacov a prstencov. V súčasnosti sonda študuje heliopauzu a výplň medzihviezdneho priestoru.

Voyager 1
Prevádzkovateľ	USA, NASA – JPL
Výrobca	USA, NASA – JPL
Typ misie	medziplanetárna sonda
Dátum štartu	5. september 1977
Kozmodróm	Cape Canaveral
Nosná raketa	Titan 3E Centaur D-1T
Zánik	nie
COSPAR ID	1977-084A
Kat. číslo	10321
Hmotnosť	721.9 kg
Kozmonautický portál

Voyager 1 sa v súčasnosti dostala na hranice heliosféry, kde sa vplyv Slnka stretáva s medzihviezdnym priestorom. V lete 2012 bola vo vzdialenosti 17,6 miliárd kilometrov (90 AU) od Slnka pred vstupom do helioplášťa, oblasti za rázovou (terminačnou) vlnou. Vedci nevedia presne určiť, za aký čas hranicu dosiahne. V tejto vzdialenosti trvalo signálom zo sondy viac ako 13 hodín než dorazili na Zem, do riadiaceho strediska Laboratória prúdového pohonu blízko Pasadeny v Kalifornii. Voyager 1 je na hyperbolickej dráhe a pohybuje sa únikovou rýchlosťou, čo znamená, že sa naspäť do slnečnej sústavy nevráti.

Vzdialenosť Voyageru 1 k 25. júlu 2014 činila takmer 128 AU (19,2 miliárd km), čo predstavuje len 0,002 ly (svetelný rok). Aktuálny stav vzdialenosti oboch sond Voyager od Zeme a Slnka je možné sledovať na tejto stránke agentúry NASA.

Pre oba Voyagery sú zdrojom energie tri rádioizotopové termoelektrické generátory, ktoré síce už prekonali minimálnu plánovanú životnosť, ale predpokladá sa, že budú schopné generovať dostatok energie pre komunikáciu so Zemou minimálne do roku 2025.

V septembri 2013 NASA potvrdila, že sonda 25. augusta 2012 opustila priestor, kde prevláda pôsobenie slnečného vetra a v podstate sa tak dostala do medzihviezdneho priestoru.

Plánovanie misie

Voyager 1 bol plánovaný ako Mariner 11, súčasť programu Mariner. Od začiatku sa počítalo s využitím gravitačných manévrov. S ich pomocou je možné navštíviť viac planét s minimálnou spotrebou paliva.

Voyager 1 bol vypustený 5. septembra 1977 z mysu Canaveral raketou Titan 3E Centaur. Aj keď bol vypustený až po svojom dvojčati Voyageru 2, kvôli chybe objavenej až na poslednú chvíľu je jeho rýchlosť asi o 10 % vyššia a planéty Jupiter a Saturn dosiahol skôr.

Popis telesa

Simulátor sondy Voyager 1

Základnú časť trojosovo stabilizovanej sondy tvorí služobná časť v tvare nízkeho desaťbokého hranolu z hliníkových rúrok o výške 0,47 m a s priemerom 1,78 m. Na jeho bokoch je pripevnených 10 schránok s elektronikou sondy. Uprostred hranolu v ťažisku sondy je posadená guľová nádrž s priemerom 0,7 m, ktorá pri vypustení sondy obsahovala 105 kg paliva sondy – hydrazínu. Na hornej podstave hranolu je umiestnená parabolická smerová anténa s priemerom 3,66 m. Väčšina vedeckého vybavenia je umiestnená na výklopnej tyči o dĺžke 2,3 m, ukončenej otočnou plošinou s kamerami a spektrometrami. Časť plazmových a časticových detektorov je rozmiestnená pozdĺž tejto tyče. Na opačnej strane sondy na ďalšej 13 m dlhej tyči sú umiestnené 2 magnetometre.

Na tretej výklopnej konštrukcii sú umiestnené 3 rádioizotopové termoelektrické generátory (priemer 0,4 m, dĺžka 0,5 m, hmotnosť 39 kg, zdroj tepla 238PuO₂, počiatočný tepelný výkon 2.4 kW), elektrický 3×160 W elektrickej energie na začiatku letu.

Súbor vedeckých prístrojov tvorí:

• kamerový systém ISS (Imaging Science System); ^vypnutý
• komplex pre rádiové meranie RSS (Radio Science System); ^vypnutý
• ultrafialový spektrometer UVS (Ultraviolet Spectrometer); ^funkčný
• trojosový cievkový magnetometer MAG (Magnetometer); ^funkčný
• detektor nízkoenergetických iónov LECP (Low-Energy Charged Particles); ^funkčný
• systém detektorov kozmického žiarenia CRS (Cosmic Ray System); ^funkčný
• detektor rádiových vĺn PRA (Planetary Radio Astronomy); ^vypnutý
• fotopolarimeter PPS (Photopolarimeter System); ^chybný
• prístroj pre štúdium vĺn v plazme PWS (Plasma Wave System); ^funkčný
• infračervený interferometer a spektrometer IRIS (Infrared Interferometer Spectrometer); ^vypnutý
• spektrometer plazmových častíc PLS (Plasma Spectrometer). ^chybný

Celková prevádzka sondy je riadená zdvojeným palubným počítačom CCS (Computer Command Subsystem). Jeho napevno zabudovaný program obsahuje dekódovanie príkazov, detekciu chýb, opravné postupy, počítanie zameriavania antény a počítanie ďalších sekvencií a rutín na prevádzku sondy. Tento počítač je zdokonalenou verziou počítača zo sond Viking 1 alebo 2.

Spracovanie vedeckých a telemetrických dát a riadenie vedeckých experimentov zaisťuje digitálny systém spracovania dát FDS (Flight Data Subsystem). Dáta môžu byť zaznamenané na magnetopáskovú pamäť DSS (Data Storage Subsystem) s kapacitou 536 Mbit. Komunikačný systém pracuje v pásme "X" (8.4 GHz, rýchlosť prenosu 8 bit/s až 115.2 kbit/s, výkon 23 W) a "S" (2.3 GHz, rýchlosť prenosu min. 40 bit/s), v praxi dovtedy ešte nevyskúšaný. Rovnako bol po prvýkrát použitý aj stabilizačný digitálny systém AACS (Attitude and Articulation Control Subsystem), využívajúci detektory Slnka, sledovače hviezd a 3 uhlomerných gyroskopov, zaisťujúci orientáciu a stabilizáciu sondy v priestore a natáčanie plošiny s optickými prístrojmi na skúmané ciele. Celkom 16 stabilizačných trysiek na jednozložkové palivo KPL (hydrazín) (každá s ťahom 0.9 N) slúži ako výkonný prvok pre korekciu dráhy (4 motory) a pre orientáciu a stabilizáciu sondy (8 motorov).

Celá sonda váži 721,9 kg a pri štarte bola poskladaná vo valci vysokom 5 m s priemerom 4,3 m. Viac ju zložiť nebolo možné, pretože anténa s priemerom 3,66 m je nezložiteľná. Prvé štyri minúty letu bola sonda uzavretá v špičke rakety Centaur. Raketa potom odhodila aerodynamický kryt a až po 49 minútach, keď už bola sonda navedená na dráhu k Jupiteru, začala vysúvať všetky nosníky a antény.

Priebeh letu

Po desiatich minútach od štartu bola dosiahnutá parkovacia dráha, po ďalších 50 minútach medziplanetárna dráha. V priebehu štartu došlo k predčasnému vypnutiu motorov na pevné palivo. Táto strata bola kompenzovaná dlhším horením ďalšieho stupňa Centaura a nakoniec bola potrebná rýchlosť dosiahnutá len 3,4 sekundy pred úplným spotrebovaním paliva.

Štart sondy na vrchole rakety Titan/Centaur

Po dvoch hodinách letu bola sonda stabilizovaná v dvoch osiach na Slnko a za niekoľko ďalších hodín bola stabilizovaná aj v tretej osi na hviezdu Canopus. Dvojka mala pred ňou náskok 14 miliónov kilometrov, ale bola vyslaná na pomalšiu dráhu. 11. septembra bola vykonaná korekcia dráhy +2,45 m/s a 13. septembra korekcia dráhy +10,11 m/s. V obidvoch prípadoch bola zmena rýchlosti o 20% nižšia ako bolo plánované.

Bradfordovi Smithovi, vedúcemu tímu pre snímkovanie kozmických telies, hneď po štarte sondy Voyager 2 napadlo, že by bolo zaujímavé vidieť, ako vyzerá pohľad na Zem - Mesiac. Ešte pred štartom boli narýchlo naprogramované palubné počítače a 18. septembra 1977 vznikla farebná fotografia kosáčika Zeme a kosáčika Mesiaca zložením snímok z 18 pozícií v troch farbách. Všetko bolo nahrané na palubný magnetofón a 7. a 10. októbra prehrané na Zem. Bola to prvá snímka z Voyagerov a prvá takáto snímka našej planéty a jej prirodzenej družice vôbec, odfotená zo vzdialenosti 11 660 000 km.

Posledný novembrový týždeň prekrížili obidve sondy dráhu planéty Mars. Boli od neho vzdialené 137 miliónov km, čo je približne toľko, ako vzdialenosť Zeme od Slnka. 15. decembra 1977 jednotka predbehla dvojku, pričom ich vzájomná vzdialenosť bola 17 miliónov kilometrov. Začiatkom decembra 1977 sa obidve sondy vnorili do pásu asteroidov medzi Marsom a Jupiterom.

Problémy s natáčaním plošiny

22. februára 1978 nastala na Voyageri 1 prvá vážna porucha. Pri kalibračných skúškach otočnej plošiny a príkazu o otočenie o 62 stupňov došlo po 27 stupňoch k spomaleniu pohybu a po ďalších 5 stupňoch sa plošina zastavila úplne. Nefunkčnosť plošiny by znamenala, že pri snímkovaní by sa musela otáčať celá sonda, nielen plošina s kamerami. Dáta by sa museli najprv nahrávať na magnetofónovú pásku, ktorej kapacita je ale obmedzená, pretože otáčaním by sonda stratila rádiový kontakt so Zemou. Na identickom exemplári sondy, ktorý zostal v Pasadene, sa poruchu nepodarilo nasimulovať. Táto porucha spôsobila, že sonda nevyfotografovala planétku Medeu, ktorú minula vo vzdialenosti 15,9 mil. km.

Plošinu sa napokon podarilo opakovaným zapínaním elektromotora rozhýbať. Predpokladanou príčinou poruchy boli úlomky mäkkého poddajného materiálu, ktoré sa tam dostali zrejme z viacerých zdrojov pri zostavovaní jednotky a pôvodne boli zistené na výstupnom ozubenom prevode a tiež v predposlednom prevode. Úlomky boli ozubenými kolesami prevodu pravdepodobne rozdrvené a technici už neočakávali žiadne ďalšie ťažkosti.

Prelet okolo Jupitera

4. januára 1979 sa začalo nepretržité pozorovanie Jupitera vzdialeného 60 mil. km počas 60 dní. Ultrafialový spektrometer monitoroval Jupiter 8-krát denne, každý deň bola vyhotovená stovka infračervených spektier. Fotopolarimeter zisťoval elektromagnetické vlastnosti prostredia, kde sa sonda nachádzala. Merania boli celý deň zaznamenávané na magnetofónovú pásku dlhú 328 m a schopnú uložiť 536 miliónov bitov informácií, čo je asi 100 kvalitných snímok. Nazbierané údaje sa vysielali na Zem jedenkrát denne, v trojhodinovej sekvencii. Pri každom zapnutí alebo prevíjaní pásky prístrojom trochu trhlo a museli sa na chvíľu zapnúť stabilizačné trysky sondy, aby snímkovanie mohlo byť plynulé. Pôvodne mala NASA v pláne len výskum planéty. Bradford Smith nakoniec presadil, aby sonda mohla uskutočniť aj výskum jeho mesiacov.

13. januára 1979 sa začalo intenzívne snímkovanie. Počas nasledujúcich 100 hodín a 10 otočiek planéty vznikla každých 96 sekúnd jedna snímka. Spolu bolo zachytených 3750 snímok, z ktorých poskladaním sa vytvoril prvý film tohto druhu. Kotúč Jupitera sa postupne zväčšoval, až sa napokon nevošiel do zorného poľa kamery a snímky bolo nutné skladať. Od 21. februára 1979 sa na zachytenie celého disku muselo použiť 9 obrázkov.

• 
  Postupné približovanie k Jupiteru
• 
  Veľká červená škvrna
• 
  Farebná snímka mesiaca Io.
• 
  Detail Jupiterovej atmosféry vo falošných farbách
• 
  Kráter Valhalla na mesiaci Kallisto.
• 
  Dva mesiačiky s Jupiterom v pozadí.
• 
  Snímka Ganymeda, najväčšieho mesiaca v slnečnej sústave
• 
  Sopečná explózia na mesiaci Io.

3. marca 1979 bolo kvôli 3 hodiny trvajúcej búrke s bleskami nad austrálskou pozorovacou stanicou v Tidbinbille prerušené spojenie so sondou. Tým boli nenávratne stratené výsledky spektrometrického sledovania mesiaca Io v oblasti ultrafialového žiarenia. 4. marca 1979 o 19:13 hod bola ukončená snímka s veľmi dlhou expozíciou 672 sekúnd, z dôvodu spresnenia polohy sondy. V tej dobe nepracoval automatický kontrolný systém polohy plošiny, preto sa musela za hviezdami v otvorenej hviezdokope M44 natáčať celá plošina s kamerami. Vďaka tomu boli na fotografii objavené prstence, doteraz známe len u Saturna. Stephen Synnott na snímkach Voyagera 1 neskôr objavil aj nový malý mesiac pomenovaný Metis.

5. marca 1979 prebehlo snímkovanie malého mesiaca Amalthea a najtesnejší prelet okolo Jupitera vo vzdialenosti 280 000 km od jeho oblakov. Prebiehal detailný fotografický a rádiový prieskum, v činnosti boli postupne všetky prístroje. 6 hodín po najväčšom priblížení asi o 18:00 hod boli v atmosfére Jupitera zaznamenané blesky. Keď bola sonda ukrytá za Jupiterom, bolo s ňou stratené spojenie na 2 hodiny.

Snímky mesiaca Io priniesli prekvapivé zistenie, že toto teleso má aktívny vulkanizmus. Rovnako neočakávané boli zábery na ľadom pokrytý mesiac Európa. K 15. marcu 1979 odoslala sonda Voyager 1 viac ako 15 000 fotografií Jupitera a jeho mesiacov a nespočítateľné množstvo ďalších meraní. 9. apríla 1979 prebehla ešte malá korekcia dráhy a Voyager 1 urýchlený Jupiterom bol na ceste k Saturnu.

Prelet okolo Saturna

Saturn z Voyageru 1 vo falošných farbách

24. marca 1980 vo vzdialenosti 300 000 000 km začal Voyager 1 fotografovať Saturn, hlavne kvôli vyhodnoteniu a upresneniu dráhy. 22. augusta 1980 nastal začiatok pozorovania a prieskumu planéty. 12.–14. októbra 1980 vznikla počas 42 hodín každých 288 sekúnd jedna snímka Saturna. 24. októbra 1980 predstavovala vzdialenosť k Saturnu 25 000 000 km. 3. novembra 1980 prebehlo snímkovanie Saturna a prstencov s cieľom objaviť nové družice. 12. novembra 1980 sonda pozorovala najväčší Saturnov mesiac Titan s najväčším priblížením o 7:05 hod vo vzdialenosti 4 520 km. Tethys minula asi 23:40 hod. vzdialenosť 416 000 km. 13. novembra 1980 nastalo najväčšie priblíženie k atmosfére Saturnu vo vzdialenosti 124 000 km.

18. novembra 1980 bola misia pri Saturne ukončená, boli odoslané posledné fotografie. Voyager tak veľmi úspešne zakončil svoju úlohu v slnečnej sústave. Dodatočne na základe jeho dát boli nájdené 3 nové družice Saturna. Za 38 mesiacov cesty sa Voyager 1 oneskoril len o 2 minúty a vo vzdialenosti 1,5 miliardy kilometrov minul vypočítaný preletový bod len o 19 kilometrov.

14. februára 1990 urobil Voyager 1 zo vzdialenosti 6 miliárd kilometrov snímky všetkých planét našej slnečnej sústavy okrem Merkúra, ktorý bol príliš blízko pri Slnku.

"Rodinný portrét" slnečnej sústavy

Prelet heliopauzou

Voyager 1 sa 8. septembra 2012 nachádzal 121,7958 AU (18 220,39 miliónov kilometrov) od Slnka, čo predstavuje 0,001926 ly (svetelný rok). Je ďalej, než akákoľvek známa planéta v našej sústave, vrátane planétok Eris a 90377 Sedna. Nie je však ďalej, ako Oortov mrak či dlhoperiodické kométy. Signály z Voyageru 1 v tom čase putovali na Zem za 16,8 hodiny. Jeho rýchlosť je približne 61 427 km/h (o 10% rýchlejšie ako Voyager 2.)

V lete roku 2012 sa sonda nachádzala na hraniciach heliosféry, čo bolo zrejmé z prístrojových údajov. V máji 2012 bolo zaznamenané zvýšenie množstva kozmických lúčov, čo dopadajú na sondu. Ukazovatele sa však pohybovali hore aj dolu, nebolo jasné, kedy sonda definitívne opustí solárny priestor, či "o dni, mesiace, alebo roky". Možné bolo aj to, že sa sonda nachádzala v novej oblasti prepojenej s heliopauzou.

NASA si všimla, že Voyager 1 prichádza o svoju schopnosť natáčať sa vo vesmíre. Ak by sa sonda nebola schopná natočiť tak aby jej anténa smerovala k Zemi, NASA by nebola schopná zachytávať jej signály. Dôvodom bolo opotrebovanie drobných orientačných trysiek. Úrad prišiel s riešením, že sonda by mohla používať inú súpravu trysiek – také, ktoré sa pôvodne používali na korekciu dráhy pri preletoch okolo planét našej slnečnej sústavy. Naposledy však Voyager 1 letel okolo Saturnu v roku 1980 a od 8. novembra toho roku sonda trysky nepoužila. Dňa 28. novembra 2017 napokon NASA vyslala na diaľku takmer 21 miliárd kilometrov signál, aby sa trysky nakrátko spustili. Na ďalší deň v NASA zistili, že všetko funguje. Signál k sonde "cestoval" 19 hodín a 35 minút a taký istý čas NASA čakala na spätnú väzbu od sondy.

Polohy a trajektórie sond Pioneer a Voyager k aprílu 2007.

Súčasný stav

Modul Flight Data Subsystem (FDS), postihnutý poškodením jedného z CMOS pamäťových obvodov.

12. decembra 2023 NASA oznámila, že Voyager 1 má problémy. Namiesto vedeckých a technických údajov sonda odosielala len nezrozumiteľné bloky dát. Ako pravdepodobná príčina bolo po diagnostike a vyžiadaní zaslania pamäťových dumpov počítačových modulov sondy identifikované poškodenie dát v jednom z pamäťových obvodov modulu Flight Data Subsystem (FDS), v ktorom bol uložený pracovný softvér modulu, zodpovedný za balenie inžinierskych a vedeckých údajov zo sondy. Po pokuse o znovunahratie kódu sa ukázalo, že poškodenie pamäťového obvodu je nevratné a bolo potrebné nájsť riešenie, využívajúce nepoškodené úseky pamäte. Keďže však kapacita operačnej pamäte modulu je len približne 70 kilobajtov a je prakticky celá obsadená, vyžiadala si úprava zostavenie a odladenie nového firmvéru s odstránenými už nepotrebnými časťami, týkajúcimi sa odosielania údajov vyššími prenosovými rýchlosťami, využívanými napr. počas preletu sondy okolo Jupitera a s presunom aktívnych programových rutín mimo poškodený adresový priestor. Tento nový kód bol 18. apríla 2024 odoslaný na sondu. Po dvojdňovom oneskorení spôsobenom dobou trvania letu signálu na sondu a letu odpovede zo sondy naspäť sa potvrdilo, že nový softvér funguje. Tým sa vyriešil problém s komunikáciou trvajúci päť mesiacov. Sonda síce ešte nevysielala vedecké dáta, no už bolo možné kontrolovať jej palubné systémy. Štyri vedecké prístroje sondy Voyager 1, ktoré sledujú okolité prostredie, začali po dlhej dobe znova vysielať vedecké údaje. Oznámil to jej prevádzkovateľ Jet Propulsion Laboratory 13. júna 2024. Táto oprava prebehla na diaľku 24 miliárd km, pričom signál zo sondy na Zem letel 22,5 hodiny a zo Zeme na sondu rovnako dlho. Napriek tomu je sonda stále iba v jednej tisícine vzdialenosti od poslednej hranice slnečnej sústavy – Oortovho oblaku komét.

Výkon rádioizotopových generátorov by mal postačovať na prevádzku aspoň jedného vedeckého prístroja minimálne do roku 2025.

Pozri aj

• Voyager 2

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Voyager 1

Externé odkazy

• voyager.jpl.nasa.gov – Oficiálne stránky projektu Voyager (po anglicky)
• Informácie o misii na stránkach aldebaran.cz (po česky)
• Sonda v encyklopédii SPACE40 (po česky)

Zdroje

• Zdeněk Pokorný – Příběh nesmrtelných poutníku, Rovnost 1995 internet:
• http://voyager.jpl.nasa.gov/index.html
• http://www.lib.cas.cz/