星空、宇宙，对于人类来说或许是一个永恒的话题。自从文明诞生以来，人类对宇宙的向往与探索就从来都没有停止过，即使是在自然科学落后的古代，也不乏有识之士对天上的星星充满好奇，他们用自己的方法，创造出了早期的星空划分体系，比如我国古代的“三垣四象二十八宿”星宫体系，就是古人创造的最早的“星座学”之一。数千年后，到了科技大爆发的20世纪，人类终于可以借助科学的力量，脱离自己的母星，开始跨入真正意义上的宇宙探索之旅，随着航空航天技术的成熟，各种各样的探测器被人类送进了太空，探索地球、探索月球，探索太阳系内的其他行星，甚至是飞出太阳系。而在这篇文章中我们要介绍的，就是5个计划离开太阳系的人造物中的其中一个——“旅行者1号”，下面将会从“旅行者1号”的诞生背景、设计建造，以及探索的目标任务等几个方面，来介绍一下这个人类历史上对宇宙深空探索的先驱者。

三垣四象二十八宿”星宫体系图

为了研究地外行星（同时也是当时美国和苏联之间科技竞赛的一部分），美国宇航局（NASA）在上世纪60年代末~70年代初提出了“外太阳系探索计划”，这个计划也被称为“旅行者计划”、“星际航海家计划”。在该探索计划中，用到了两个深空探测器，分别是“旅行者2号”和“旅行者1号”，1977年8月20日，“旅行者2号”发射升空，被用于探索木星、土星、天王星以及海王星的探索，16天后，即1977年9月5日，NASA继续发射了“旅行者1号”，用于探索月球、木星、土星，以及土星的最大的卫星“泰坦”， 并且在后期可以通过放弃飞跃“泰坦”的计划来改变探测器的飞行路线，以便实现和冥王星相遇。其实在一开始，“旅行者1号”是被规划进“水手计划”的，且被命名为“水手11号”，但是由于预算被削减，该计划被缩减为只对木星和土星进行飞跃探索，同时把探测器更名为"水手木星-土星探测器”，但是随着计划的开展，探测器的设计和任务目标都与最初的水手任务大相径庭，因此到了后面便把名字更改为Voyager 1，即“旅行者1号”。

用“泰坦3E”火箭发射的“旅行者1号”

“旅行者1号”的设计与建造由美国喷气推进实验室负责，主要动力系统为16个肼（N2H4）推进器，而方位参考仪和三轴稳定陀螺仪则是可以控制探头上的无线电信号接收天线指向地球的方向，这几个主要控制仪器与8倍备用推进器共同构成了“旅行者1号”的姿态和关节运动控制子系统（AACS）的一部分，除此之外，上面还携带了11种科学探索仪器，用于研究行星等其他天体穿越太空时的活动。而为了保证“旅行者1号”在任务时间内与地球的通信，它的通信系统上装了一个直径 3.7米的高增益卡塞格伦蝶形天线，如下图所示，这个天线可以和地球上的三个深空网络站发送和接收无线电信号，考虑到“旅行者1号”会遇上无法直接与地球通信的情况，它上面的数字磁带录音机（DTR）则会先行记录约67兆字节（即67MB）的数据，以便在其他时间对地球进行传送。

高增益卡塞格伦蝶形天线

同时，因为是深空探测器，“旅行者1号”需要一种可以长时间供能、且不需要维护的能源，所以在它的吊臂上安装了3个放射性同位素热电发生器（RTG），相较于普通的燃料电池和太阳能电池，RTG是目前卫星、深空探测器以及其他无人运行设备上最理想的电源，它的主要供能部分为24个压缩的钚-238氧化物球，下图中的球状物，可以在工作过程中提供470W的电力，不过，由于主要燃料钚-238是一种放射性物质，半衰期只有87.7年，所以，在长时间使用后，RTG电池的输出功率会随着时间的流逝而下降，但是对于“旅行者1号”来说，一直到2025年，其上面的RTG电池仍然可以保证其部分功能的正常运转，而截止至2020年6月6日，旅行者1号上面的RTG电池拥有发射时所含钚-238含量的71.33％，而到2050年的时候，将会只剩下56.5％。

放射性同位素热电发生器（RTG）

飞跃木星

1977年9月5日，“旅行者1号”探测器于卡纳维拉尔角空军基地第 41发射场发射升空，3个月后，即12月10日开始进入木星和火星轨道间的小行星带，12月19日超过先前发射的“旅行者2号”探测器，次年9月8日，“旅行者1号”穿过小行星带，于1979年1月6日开始对木星进行观测，它最接近木星的时间是1979年3月5日，距行星中心约只有349000公里，由于采用距离更小的“进近方法”可以获得更高的照片分辨率，因此大多数观测木星的卫星、行星环、磁场以及木星系统辐射带环境的时间，都是在最接近轨道点的近48小时内完成的，对木星系统的摄影任务于1979年4月完成。而在对木星系统的整个探测任务中，最大的惊喜无疑是在木卫一上发现了火山活动，因为这是在太阳系的另一个星球上首次看到了活火山，如下图所示：

木卫一上的“洛基”火山喷发

飞跃土星

完成木星上的引力辅助轨迹后，“旅行者1号”继续访问了土星及其卫星系统，1980年11月12日，“旅行者1号”在最接近轨道点与土星相遇，当时这个太空探测器进入了土星云顶124000公里以内，并且用上面的相机检测到了土星环中的复杂结构，同时利用遥感仪器研究了土星及其巨型卫星“泰坦”的大气组成，旅行者1号发现，土星上层大气的大约7%是氦气（相比之下，木星大气的氦气含量为11%），其余的则几乎都是氢，由于在预计中，土星的内部的氦丰度与木星和太阳的氦丰度是相同的，所以土星高层大气中较低的氦丰度，有可能就意味着较重的氦可能会缓慢地通过土星的氢而下沉，这同时也解释了土星辐射出的热量超过了从太阳接收到的能量。

离开最接近轨道四天后530万公里处的土星图像

在对土星系统的观测任务中，对其卫星“泰坦”的观测被认为是至关重要的一环，所以“旅行者1号”选择的飞行轨迹是围绕最佳的飞越“泰坦”而设计的，这种设计可以使其在飞越的过程中经过土星南极下方，并且离开黄道平面，最终结束其土星探测任务。而在备选方案中，假如“旅行者1号”失败无法观测到“泰坦”，那么后续任务将由“旅行者2号”负责，它的飞行轨迹将被重新设定，以包含对“泰坦”的观测，整个“旅行者计划中”将会排除掉对天王星和海王星的任何访问，因为“旅行者1号”的飞行轨迹设定中也是排除了到访天王星和海王星的，只允许更改直接飞越“泰坦”的轨迹并从土星飞往冥王星。

“泰坦”上的厚薄雾度层

在“旅行者1号”升空的第13个年头，即1990年起，“旅行者1号”就开始执行它的星际航行任务了，2月14日，“旅行者1号”上的摄像机拍到了第一张太阳系的“ 全家福 ”，不过在此后不久，它的摄像机被停用了，因为要节省电影给其他设备使用，如下图所示。到了1998年2月17日，“旅行者1号”与太阳的距离已经达到了69天文单位（AU：天文学中用来计量天体之间距离的一种单位，以AU表示，1AU的数值取地球和太阳之间的平均距离149597870700米），已经超越了“先锋10号”探测器，成为了离地球最远的人造航空探测器。此时它的速度达到了17公里/秒，是目前具有所有航天器中最快的日心向后退速度。

太阳系“全家福”（2020年2月12日更新）

在“旅行者1号”继续驶向星际空间时，其上面的仪器将继续研究整个太阳系系统，而喷气推进实验室的科学家将利用“旅行者1号”和“2号”上的“等离子波实验”来寻找日鞘层，即太阳风过渡到星际介质的边界。在2005年5月25日于美国新奥尔良举行的美国地球物理联合会会议上，埃德·斯通博士博士提供了相关证据，证明了“旅行者1号”已经在2004年末（估计在2004年12月15日）越过了距离太阳94天文单位的太阳系“终止边界”。2013年9月12日，美国宇航局正式确认“旅行者1号”已于2012年8月25日穿过了日光层（太阳圈），到达了星际介质，这也是第一个穿越太阳圈进入到星际介质的人造航天器。当然，这并不意味着“旅行者1号”已经离开了太阳系，它仅仅是突破了太阳圈而已，两者的定义是不一样的，太阳系通常被定义为：由绕太阳运行的物体所占据的巨大空间区域，而该探测器却连长周期彗星的源区奥尔特云（被天文学家视为太阳系的最外层区域）都还远远没有进入。

旅行者1号的“金唱片”

从“旅行者1号”发射升空那一刻起，距今已经快43年了，与我们之间的距离距离也超过了200亿公里，是目前为止距离地球最远的人造航天器，仰望星空，如今的“旅行者1号”仍然以每秒16.9公里的速度默默的向着宇宙空间行进，当然，它距离真正意义上的离开太阳系还遥遥无期，因为即使是达到理论上太阳系最外层区域的奥尔特云，也还需要差不多300年的时间，而如果需要穿过奥尔特云则是需要30000年。然而预计在2025~2030年左右，“旅行者1号”将会彻底失去电力，到了那时与地球之间的联系也将彻底断开，成为真正的、孤独的“深空旅行者”。不过“旅行者1号”上面有一个镀金的磁盘，这个磁盘上记录了地球和地球上生活形式的照片，包括一系列的科学信息、联合国秘书长和美国总统等人的口头问候以及“地球之声“，包括：鲸鱼的声音、婴儿的哭声、海岸上的海浪和音乐，也包括了沃尔夫冈·阿玛迪斯·莫扎特、盲目威利·约翰逊、查克·贝里和瓦利亚·巴尔坎斯卡的音乐作品，以及来自世界各地的各种土著音乐表演，和55种不同语言的问候语，期待着哪一天“旅行者1号”会被其他行星系统的智能生命给发现，仰望星空，我们并不孤独！

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