مطياف شمسي مصغر للأشعة السينية من نوع كيوب سات

كان القمر الصناعي المكعب MinXSS ( مطياف الأشعة السينية الشمسي المصغر ) أول قمر صناعي مكعب يُطلق من قِبل مديرية المهام العلمية التابعة لوكالة ناسا، ويحمل مهمة علمية. ^{[ 2 ]} وقد صُمم وبُني وشُغل بشكل أساسي من قِبل طلاب جامعة كولورادو بولدر، بإشراف ومشاركة مهنية من أساتذة وعلماء ومهندسين من قسم علوم هندسة الطيران والفضاء، ومختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء ، بالإضافة إلى معهد ساوث ويست للأبحاث ، ومركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، ومرصد الارتفاعات العالية التابع للمركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي . الباحث الرئيسي للمهمة هو الدكتور توماس ن. وودز، والباحثون المشاركون هم: الدكتور أمير كاسبي، والدكتور فيل تشامبرلين، والدكتور أندرو جونز، وريك كونرت، والبروفيسور شينلين لي، والبروفيسور سكوت بالو، والدكتور ستانلي سولومون. وكان الطالب القائد ( مدير المشروع ، مهندس الأنظمة ) هو الدكتور جيمس بول ماسون، الذي أصبح فيما بعد باحثًا مشاركًا في النموذج الثاني من MinXSS.

أُطلق القمر الصناعي MinXSS في 6 ديسمبر 2015 إلى محطة الفضاء الدولية كجزء من مهمة إعادة التموين Orbital ATK Cygnus CRS OA-4 . ^{[ 3 ]} كان صاروخ الإطلاق من طراز أطلس 5 التابع لشركة United Launch Alliance بتكوين 401. نُظمت مشاركة إطلاق القمر الصناعي CubeSat كجزء من برنامج NASA ELaNa -IX. تم إطلاق القمر من محطة الفضاء الدولية باستخدام جهاز NanoRacks CubeSat Deployer في 16 مايو 2016. ^{[ 4 ]} التقط هواة الراديو حول العالم إشارات القمر الصناعي بعد ذلك بوقت قصير. ^{[ 5 ] [ 6 ]} اكتمل تشغيل القمر الصناعي في 14 يونيو 2016 ^{[ 7 ]} ، ومنذ ذلك الحين، تُسجل عمليات رصد التوهجات الشمسية بشكل شبه متواصل. ^{[ 8 ]} انخفض الارتفاع بسرعة في الأسبوع الأخير من المهمة مع ازدياد مقاومة الغلاف الجوي بشكل كبير مع الارتفاع. كان آخر اتصال من مركبة MinXSS بتاريخ 6 مايو 2017، الساعة 02:37:26 بالتوقيت العالمي المنسق، من مشغل هواة لاسلكي في أستراليا. في ذلك الوقت، تجاوزت بعض درجات الحرارة على المركبة الفضائية 100 درجة مئوية. (أشارت إحدى درجات الحرارة التي تجاوزت 300 درجة مئوية إلى انفصال اللوحة الشمسية، مما يوحي بأن هذا الاتصال كان قبل لحظات من تفككها). ^{[ 9 ]} البيانات العلمية التي تغطي كامل المهمة متاحة للعموم. ^{[ 10 ]}  

تهدف مهمة MinXSS إلى قياس طيف الأشعة السينية الشمسية اللينة من حوالي 0.5 كيلو إلكترون فولت (25 أنغستروم ) إلى 30 كيلو إلكترون فولت (0.4 أنغستروم ) بدقة طيفية تبلغ حوالي 0.15 كيلو إلكترون فولت عند نصف الارتفاع الأقصى. يُتوقع أن يحدث أكبر تضخيم ناتج عن التوهجات الشمسية في هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي الشمسي. ^{[ 11 ]} كما أن له تأثيرًا هامًا على كيمياء الغلاف الأيوني للأرض . مع ذلك، كانت القياسات السابقة إما منخفضة الدقة وواسعة النطاق، أو عالية الدقة ولكن بنطاق ترددي ضيق جدًا (انظر الصورة أدناه). ^{[ 12 ] [ 13 ]} وقد مكّن التطور الحديث نسبيًا لكواشف الانجراف السيليكونية المصغرة من إجراء قياسات MinXSS. ستوفر بيانات MinXSS وسيلة لاستكشاف الهالة الشمسية - خاصة في المناطق النشطة والتوهجات الشمسية - وسيتم استخدامها كمدخلات لنماذج الغلاف الجوي العلوي للأرض، ولا سيما الغلاف الأيوني والغلاف الحراري والغلاف المتوسط .

تُعدّ MinXSS أول رحلة تجريبية لنظام تحديد الاتجاه والتحكم XACT من شركة Blue Canyon Technologies ، وهو أحد أنظمة تحديد الاتجاه والتحكم ثلاثية المحاور القليلة المتوفرة تجاريًا للأقمار الصناعية الصغيرة (CubeSats). وقد حقق النظام أداءً يفوق التوقعات. ^{[ 14 ]} وهذا يُثبت نجاح تصغير وتسويق تقنية بالغة الأهمية للمركبات الفضائية.

الجهاز العلمي الرئيسي على متن مركبة MinXSS هو كاشف انزياح السيليكون Amptek X123 المُعدَّل. وقد تم تعديل الجهاز ليتوافق مع بيئة الفضاء. ^{[ 13 ]} تحديدًا، وُضعت وسادات نقل الحرارة على أكثر مكونات لوحات الإلكترونيات سخونةً لتوفير مسار حراري موصل لنقل الحرارة. في الغلاف الجوي، يمكن تبريد الإلكترونيات بالحمل الحراري، لكن التشغيل في الفراغ يتطلب التبريد بالتوصيل، وبالتالي مسارًا موصلًا مُحسَّنًا. إضافةً إلى ذلك، تم تركيب فتحة صغيرة مصنوعة من التنجستن في مقدمة الكاشف لتقليل احتمالية تشبع الفوتونات وحصر مجال الرؤية في ±4 درجات. أخيرًا، تم تركيب مرشح إضافي من البريليوم أمام الكاشف لتقليل عدد الإلكترونات الضوئية التي تصل إليه.

يوجد جهازان علميان ثانويان: مقياس الأشعة السينية (XP) ومستشعر موقع الشمس (SPS). يتكون مقياس الأشعة السينية من صمام ثنائي ضوئي واحد مزود بمرشح من البريليوم، بسماكة تكاد تكون مساوية لمجموع سماكة مرشحي البريليوم الموجودين أمام جهاز X123. يُستخدم مقياس الأشعة السينية لمعايرة جهاز X123 في المدار، حيث يجب أن يكون مجموع طيف جهاز X123 مساويًا تقريبًا لقياس مقياس الأشعة السينية. أما مستشعر موقع الشمس، فهو مستشعر دقيق للشمس بدقة 2.4 ثانية قوسية ، ويتكون من صمام ثنائي رباعي مستوٍ يرصد الضوء المرئي، ووظيفته توفير معلومات دقيقة عن موقع الشمس بالنسبة للمحورين البصريين لجهازي X123 ومقياس الأشعة السينية، وذلك لتصحيح أي توهين في الإشارة خارج المحور.

تمت معايرة جميع الأجهزة في مرفق إشعاع السنكروترون فوق البنفسجي التابع للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (SURF III) . ^{[ 12 ] [ 15 ]}

على الرغم من المتطلبات الأقل صرامة المفروضة على الأقمار الصناعية المكعبة (CubeSats) مقارنةً بمهام المركبات الفضائية الأكبر حجمًا، فقد خضعت مهمة MinXSS لنفس الاختبارات الصارمة التي تُعتبر معيارًا في صناعة الطيران والفضاء. وقد اجتاز جهاز X123 العلمي الرئيسي اختبارات التأهيل الكاملة للطيران على متن رحلتين صاروخيتين استكشافيتين . ^{[ 12 ] [ 16 ]} بالإضافة إلى اختبارات مستوى الأنظمة الفرعية ومستوى النظام ككل على منصة الاختبار (أي في الهواء عند درجة حرارة الغرفة)، خضع النظام أيضًا لاختبارات دورة غرفة الفراغ الحراري ، واختبارات التوازن الحراري، واختبارات الاهتزاز، واختبارات الاتصالات الشاملة. ^{[ 13 ]} أُجريت محاكاة للمهمة أثناء دورات الفراغ الحراري وعلى منصة الاختبار باستخدام جهاز محاكاة للألواح الشمسية يتم تشغيله وتبريده تلقائيًا مع مراعاة ظروف الإشعاع الشمسي المداري وفترات الكسوف. وقد ضمن ذلك أن تكون المركبة الفضائية قادرة على توفير الطاقة في المدار.

تستخدم المركبة الفضائية هوائي شريط قياس وجهاز راديو AstroDev Li-1. تُرسل المركبة إشارات دورية، ويمكن التقاط إشارتها باستخدام معدات هواة الراديو . فيما يلي مواصفات الاتصالات: ^{[ 17 ]}

• التردد: 437.345 ميجاهرتز
• معدل نقل البيانات: 9600 باود
• التعديل: GMSK
• معدل إرسال الإشارة: (اعتبارًا من 2016/07/04) 54 ثانية

يمكن إرسال الإشارات التي يسجلها مشغلو أجهزة الراديو الهواة إلى فريق MinXSS ( بتنسيق KISS ) للمساهمة في جمع البيانات بشكل عام. ^{[ 17 ]}

تُعدّ أولى العقبات الحاسمة لأي مركبة فضائية مُنتشرة هي إقامة اتصالات مع الأرض. وقد تحقق ذلك في أول مرور فوق محطة MinXSS الأرضية في بولدر، كولورادو . ^{[ 18 ]} وباعتبارها مهمة علمية، يُقاس نجاحها باستلام قياسات علمية مفيدة. عُرضت أولى صور MinXSS في مؤتمر صحفي وملصق مُقدّم خلال الاجتماع السابع والأربعين لقسم الفيزياء الشمسية التابع للجمعية الفلكية الأمريكية في بولدر، كولورادو. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} وقد رُصد أكثر من 40 توهجًا شمسيًا من الفئة C و7 توهجات من الفئة M بواسطة تلسكوب GOES في الأسابيع الأولى من مهمة MinXSS، وتمّ إرسال هذه الملاحظات إلى الأرض لتحليلها. وستكون نتائج هذه التحليلات موضوعًا لعدة أوراق بحثية مُحكّمة قادمة. إضافةً إلى ذلك، كانت MinXSS أول رحلة تجريبية لنظام تحديد الاتجاه والتحكم ثلاثي المحاور XACT من شركة Blue Canyon Technologies. وقد أدى أداءً استثنائياً باستمرار، حيث بلغت دقة التوجيه 8 ثوانٍ قوسية (1 سيجما)، بينما كانت المواصفات 11 ثانية قوسية. ^{[ 14 ]}

تم بناء مركبة فضائية ثانية من طراز MinXSS بالتوازي مع الأولى. تتطابق المركبة MinXSS-2 مع المركبة MinXSS-1 باستثناء ما يلي:

• (1) نسخة مطورة من مطياف الأشعة السينية، Amptek X123-FastSDD، مقابل X123-SDD الموجود على MinXSS-1؛
• (2) نسخة مطورة من BCT XACT، باستخدام الأجهزة الموجودة حاليًا في السوق مقابل إصدار ما قبل الإصدار المستخدم في MinXSS-1؛
• (3) إضافة دائرة لإعادة تشغيل الطاقة "الصلبة" أثناء الطيران؛
• (4) استخدام راديو AstroDev Lithium-2 مقابل Li-1 المستخدم في MinXSS-1؛ و
• (5) تحديثات البرامج البسيطة.

من المقرر إطلاق القمر الصناعي MinXSS-2 ضمن مهمة SSO-A SmallSat Express التابعة لشركة Spaceflight Industries ، ^{[ 22 ]} باستخدام صاروخ فالكون 9 التابع لشركة SpaceX . ^{[ 23 ]} تم الإطلاق في 3 ديسمبر 2018، ووضع القمر MinXSS-2 في مداره. مدار MinXSS-2 قطبي ومتزامن مع الشمس عند الساعة 10:30 صباحًا بالتوقيت المحلي ، على ارتفاع 575 كيلومترًا تقريبًا، مما يوفر عمرًا تشغيليًا تقديريًا يبلغ 4 سنوات. 

تم اختيار مشروع MinXSS-2 للحصول على تمويل لمدة عامين من وكالة ناسا ضمن برنامج تطوير تقنيات وأجهزة الفيزياء الشمسية للعلوم (H-TIDeS) لعام 2016. ^{[ 24 ]} كما يضم مشروع MinXSS-2 مشاركة علمية من مختبر الأبحاث البحرية ، حيث انضم الدكتور هاري وارين كباحث مشارك.

تم اختيار مهمة MinXSS كأفضل مهمة للأقمار الصناعية الصغيرة لعام 2016 من قبل AIAA خلال المؤتمر السنوي الثلاثين للأقمار الصناعية الصغيرة الذي عقدته AIAA/USU في لوجان، يوتا . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

استُلهم مشروع MinXSS من تجربة كولورادو الطلابية لأحوال الطقس الفضائي باستخدام الأقمار الصناعية المكعبة (CubeSat )، والتي أسست بدورها برنامج مشاريع الدراسات العليا بقيادة جوزيف ر. تانر في قسم علوم هندسة الطيران والفضاء بجامعة كولورادو بولدر . يُتاح لطلاب القسم خيار إكمال رسالة الماجستير أو دراسة فصلين دراسيين من برنامج مشاريع الدراسات العليا. عادةً ما يشارك ما بين 10 إلى 20 طالبًا في كل مشروع من المشاريع المتزامنة. وقد استفاد كل من مشروعي CSSWE وMinXSS بشكل كبير من خبرات المتخصصين في مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء . وحتى 8 مارس 2018، عمل 40 طالب دراسات عليا، و5 طلاب بكالوريوس، وطالبان في المرحلة الثانوية على المشروع. وساهم نحو 40 متخصصًا بمستويات مشاركة متفاوتة، بدءًا من تقديم الملاحظات في مراجعات التصميم وصولًا إلى كتابة برمجيات الطيران.

• الموقع الرسمي لـ MinXSS
• صور لعملية النشر من محطة الفضاء الدولية مجمعة في فيلم (بإذن من تيم بيك )
• ورقة بيانات XACT