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| Metal Earth 航海家號金屬模型 |
前言
2018年11月5日，航海家一號被證實正式進入星際空間，也就是正式飛離太陽系。而這顆太空探測器實際上是在1977年8月20日發射成功，至今已經46歲。很難想像一個飛行器在太空中這麼久的時間卻依然運作正常，並同時以難以置信的速度穿越人類無法行走的距離。與它同時發射的有姊妹艦航海家二號，這兩艘太空飛行器是目前人類已知行走距離最遠的物體。
在偶然的機會下(其實是博物館的紀念品店)看到這艘極具歷史意義的探測器金屬模型，第一眼就決定要把它買回來收藏了!
航海家號任務緣由
最初設計兩艘航海家號的初衷是要探索土星與木星的環境，航海家一號完成土衛六(Titan)觀測任務後，便以35度角飛離太陽公轉平面，而航海家二號則繼續它探索天王星與海王星的任務。
雖然如此，但在設計階段的探測器早以超越太陽系航行為目標進行設計，真正飛離太陽系的新聞可以說是工程師對自己設計的產品進行最好的驗證。
此外，這兩顆探測器都酬載一片"金唱片"，上面記載關於人類、地球、太陽系以及DNA的資訊，讓未知的外星智慧能夠知道我們是誰。
更詳細的報導可以參考:
還有NASA官方的任務頁面
航海家任務可參考國家地理頻道的軌跡影片:
部件分析
雖然在2023年的今天看Voyager上的儀器可能有點過時，包含磁帶、8-bit電腦、低解析度的相機等等，如果以半導體的製程當歷史(甚麼奇怪的觀點..)，當時最先進製程是3微米(3µm)，今天(2023)最新進的製程卻已經到3奈米(3nm)。當時的NASA工程師透過不同技巧繞過問題，產出關鍵性的功能，讓這兩艘設計精良的探測器得以連續運作40年。
模型的主要的部件有8組，分別是
- 主體 Housing
- 高增益天線 High-Gain Antenna
- 影像科學子系統、影像科學系統、紅外線光譜分析儀與光偏震系統
- 低能帶電粒子探測器
- 等離子體探測器與宇宙射線感應器
- 放射性同位素熱電發電機
- 磁力計
- 行星射線與等離子波系統
主體
探測器主體是一個十邊型，保護內部儀器不會受到宇宙離子或射線打壞，以及維持儀器的運作溫度。正上方放置巨大的高增益天線，天線的面永遠朝向地球確保通訊。
高增益天線
直徑3.7公尺的拋物面高增益天線透過三種頻率與地球通訊分別是高頻的8.4GHz(X-band)傳送科學數據，2.5GHz(S-band)傳送飛船健康狀態等資訊還有100MHz(FM)傳送無線電波。100MHz的FM頻段因為頻率較低，穿透率較高，可以傳送控制飛船的指令等資料。
依照目前航海家一號與地球的距離來看，即使是以光速傳輸的無線電訊號從地球端發射，也要經過21小時才能抵達接收端，可以知道他與我們的距離是如此遙遠。
此外，航海家號內部有64kB的磁帶可以在無法與地球通訊時將數據儲存起來。
現在看64KB的儲存空間小到不行，隨便一顆MCU的RAM都比64KB大了。
影像科學系統、紅外線光譜分析儀與光偏震系統
在航海家號懸臂的末端安裝了三個影像系統，分別是影像科學系統(ISS)、紅外線干涉儀與輻射計(IRIS)。
影像科學系統(ISS)
影像科學系統其實就是相機，但它一次只能記錄8-bit單色影像。但NASA工程師透過利用光偏震系統PPS將光濾波，套上8種不同顏色的濾鏡後，記錄8筆數據，回傳後再將8筆數據合成成彩色圖片。
此外，在相機模組上同時搭載200mm/ f3鏡頭以及1500mm/f 8.5的望遠窄角鏡頭，為的是觀察行星的大氣數據、風速以及研究行星或衛星的表面型態。
紅外線干涉儀與輻射計(IRIS)
IRIS其實可視作一個精密的溫度計，測物體表面的熱分佈，同時可以觀察哪些物質何時存在大氣或表面，還可以單獨作為輻射計，觀察物體反射的紫外線、紅外線以及可見光總量。
其主應應用在量測大氣垂直熱結構，量測木星與土星這兩顆巨大氣體行星時對未來的大氣動力學建模提供實際數據。還有量測氫與氦的濃度，對太陽星雲原始比例的理論進行驗證，以及確定能量與太陽吸收能量之間的平衡，幫助研究行星的起源。
光偏振量測系統 (PPS)
安裝在影像科學系統前端，將光分離成八種不同波長的就是PPS，它涵蓋了235nm~750nm之間的八個波長。
這個系統主要希望能夠確認木星、土星與土星環的物理特性，提供前三者可能的結構成分以及在行星相遇期間，放電與極光活動的證據。
下圖說明八個濾鏡的圓盤是如何安裝在偏震系統的最外端。
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| Source: NASA |
更詳細的資訊可以參考 Primal Space的影片:
低能帶電粒子探測器
在吊臂下方，小小的在宇宙射線感應器正下方的是低能帶電粒子探測器，它上面有個旋轉台，裝設低能粒子望遠鏡(LEPT)以及低能磁層粒子分析儀(LEMPA)。
它主要的功用可以想像成一塊木頭，而低能粒子是子彈。這塊木頭紀錄子彈射進去的深度、方向、速度等等，隨著運行時間越久，這塊木頭就會記錄越多數據。
它主要個功能在記錄銀河宇宙射線的時間變化、逕向梯度、紀錄行星誕生時產生的高能粒子、星際之間的高能粒子等等。
光學校準器
這片小小的反射板是一塊已知顏色與亮度的平面矩形，固定在探測器的一角，主要功用是作為紅外線、相機等等光學儀器的校準基準。
放射性同位素熱電發電機
與大部分人造衛星不同的是，航海家號使用核能電池作為動力，而不是大家印象中的太陽能板。
為了在陽光微弱的環境中運作，這種不需陽光也沒有活動零件發電機是最理想的選擇。但與其說是發電機，不如說是發熱機，透過放射元素衰變時發熱的現象以及熱電效應將熱能轉換成電能，驅動探測器上面的一系列儀器運作。
航海家號裝備了三個並聯的放射性同位素熱電發電機(RTG) 每個發電機都有同位素熱源、氣壓通風系統、溫度感應器、連接器、散熱器與支架組成，這個發電機的燃料是PuO2形式的釙，這種材質的功率密度高達140W/g，且不會散發強烈的加碼射線與X射線。
但這顆電池預計在2025年因自然的半衰期影響，使得產生的功率將小到無法驅動任何一個模組運作。
表示在2025年之後，航海家號必定、也註定漂泊在虛無的宇宙空間中。
在組裝模型時這個電池不好組裝，照理說它是一個圓柱體，但是金屬有些厚度，彎曲時要他弧度依樣要有技巧。
磁力計
這跟超級長約13公尺的磁力計用來量測太陽磁場隨著距離與時間的變化，確定每一顆行星都有自己的磁場，以及量測行星的衛星、環與這些磁場如何交互作用。
它主要的目的是量測木星、土星、天王星與海王星的行星磁場，並量測這些行星與太陽風的相互作用。
量測太陽磁場在為尺度中的特性，並持續研究太陽磁場。
尋找行星與行星之間過度區域的特性，並量測邊界區域的磁特性以及銀河磁場。
模型上磁力計透過兩個小耳朵與本體固定，沒有壓好會讓磁力計鬆鬆的晃動。
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| 航海家號模型磁力計特寫 |
行星射線與等離子波系統
在探測器尾端有兩根正交呈90度的天線是等離子波系統(PWS)與行星射電天文實驗系統(PRA)共用的天線，PWS涵蓋頻率範圍從10Hz到56kHz，而PRZ涵蓋20.4kHz~1300kHz與2.3MHz~40.5MHz。
這兩根天線在模型上很容易變形，組裝的時候要小心。
航海家號任務徽章與NASA標誌
總結
做完整個模型大概花了三天左右，因為第一次做金屬模型，有些折板工具如果有的話應該會更順手。最難的部份我認為是熱電發電機以及任何圓形組件，直角組件其實都還好，已經有印好的摺痕可以彎曲，但圓形的零件需要有類似金屬棒的工具來凹那個弧度，比較難，而且越小的零件硬度越大，凹起來越費力。
參考資料
- https://www.jpl.nasa.gov/
- https://cms.cern/news/low-energy-leptons-high-energy-physics
- https://www.allaboutcircuits.com/news/voyager-mission-anniversary-computers-command-data-attitude-control/?cb=1676210906
- https://www.youtube.com/watch?v=yCkM6XEsrRo
- https://www.youtube.com/watch?v=rYWpNfd-41g
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