مقياس المغناطيسية للمركبة الفضائية

تُستخدم مقاييس المغناطيسية من نوع "فلوكسجيت" لبساطتها الإلكترونية وخفة وزنها. وقد استُخدمت أنواع عديدة من هذه المقاييس في المركبات الفضائية، وتختلف فيما بينها في جانبين رئيسيين. أولهما، الحصول على قراءات أدق باستخدام ثلاثة مقاييس مغناطيسية، يشير كل منها إلى اتجاه مختلف. وقد لجأت بعض المركبات الفضائية إلى تدويرها وأخذ القراءات على فترات 120 درجة لتحقيق ذلك، إلا أن هذا الأسلوب يُثير بعض المشاكل. أما الاختلاف الثاني فيكمن في التصميم، الذي يتميز بالبساطة والشكل الدائري.

زُوِّدت مركبات " باينير 0 "/أبل 1، و" باينير 1 "/أبل 2، وYE1.1، وYE1.2، وYE1.3، التي فشلت في عام 1958 بسبب مشاكل في الإطلاق، بمقاييس مغناطيسية من هذا النوع. مع ذلك، جمعت مركبة باينير 1 بيانات عن أحزمة فان ألين. ^{[ 2 ]} في عام 1959، حملت المركبة السوفيتية " لونا 1 "/YE1.4 مقياسًا مغناطيسيًا ثلاثي المحاور مرّ بالقرب من القمر في طريقه إلى مدار شمسي مركزي على مسافة 10300 كيلومتر (6400 ميل) ، لكن لم يكن من الممكن تقييم المجال المغناطيسي بدقة. ^{[ 2 ]} في نهاية المطاف، نجح الاتحاد السوفيتي في إحداث اصطدام قمري بالمركبة " لونا 2 "، وهي مركبة مزودة بمقياس مغناطيسي ثلاثي المحاور، ولم يجد أي مجال مغناطيسي ذي دلالة إحصائية عند الاقتراب من سطح القمر. ^{[ 2 ]} أما المركبة إكسبلورر 10، فقد قامت بمهمة قصيرة مدتها 52 ساعة، وكانت تحمل على متنها مقياسين مغناطيسيين من نوع "فلوكسجيت". خلال عامي 1958 و1959، ساد الفشل معظم مهمات المركبات الفضائية التي تحمل أجهزة قياس المغناطيسية، حيث فُقد جهازان على متن المركبة "أبل 4ب" وحدها. وفي أوائل عام 1966، نجح الاتحاد السوفيتي أخيرًا في وضع المركبة "لونا 10" في مدار حول القمر مزودة بجهاز قياس المغناطيسية، وتمكن من تأكيد ضعف المجال المغناطيسي للقمر. ^{[ 2 ]} كما حملت المركبات "فينيرا 4" و" فينيرا 5" و "فينيرا 6" أجهزة قياس المغناطيسية في رحلاتها إلى كوكب الزهرة ، على الرغم من أنها لم تُوضع على مركبات الهبوط. 

لب حلقي وكروي

بدأت مقاييس المغناطيسية ذات المستشعر الحلقي ذي البوابة التدفقية تحل محل مقاييس المغناطيسية ذات المستشعر الاتجاهي مع مهمة أبولو 16 عام 1972، حيث وُضع مقياس مغناطيسي ثلاثي المحاور على سطح القمر. استُخدمت هذه المستشعرات في عدد من الأقمار الصناعية، بما في ذلك ماغسات ، وفويجر ، ويوليسيس ، وجيوتو ، وأمبتي . يستخدم مسبار القمر -1 ملفات حلقية مصنوعة من هذه السبائك، ممتدة بعيدًا عن بعضها البعض وعن مركبته الفضائية، للبحث عن بقايا مغناطيسية على سطح القمر "غير المغناطيسي". ^{[ 3 ] [ 4 ]}

عند ضبطها بشكل صحيح، تستطيع مقاييس المغناطيسية قياس فروق المجال المغناطيسي حتى 1 نانوتسلا. تتميز هذه الأجهزة، ذات النوى التي  يبلغ حجمها حوالي 1 سم، بخفة وزنها مقارنةً بمستشعرات المتجهات. مع ذلك، وُجد أن هذه الأجهزة تُظهر خرجًا غير خطي عند المجالات المغناطيسية التي تتجاوز 5000 نانوتسلا. لاحقًا، اكتُشف أن إنشاء بنية كروية مزودة بحلقات تغذية راجعة سلكية متعامدة مع الحلقة داخل الكرة يُمكن أن يُلغي هذا التأثير. سُميت هذه المقاييس المغناطيسية اللاحقة بمقاييس التدفق الكروي أو مقاييس المغناطيسية ذات النواة الكروية المدمجة (CSC)، والتي استُخدمت في قمر أورستد الصناعي . كما شهدت السبائك المعدنية التي تُشكل نواة هذه المقاييس المغناطيسية تحسينات منذ مهمة أبولو 16، حيث تستخدم أحدثها سبائك موليبدينوم-بيرمالوي متطورة ، مما يُنتج ضوضاء أقل مع خرج أكثر استقرارًا. ^{[ 5 ]}

تُعرف مقاييس المغناطيسية ذات الملفات البحثية، أو مقاييس المغناطيسية الحثية، بأنها ملفات ملفوفة حول قلب ذي نفاذية مغناطيسية عالية. تعمل هذه الملفات على تركيز خطوط المجال المغناطيسي داخل القلب، بالإضافة إلى رصد التقلبات. ^{[ 6 ]} وتكمن فائدة هذه المقاييس في قدرتها على قياس المجال المغناطيسي المتناوب، وبالتالي رصد التغيرات في المجالات المغناطيسية بسرعة، عدة مرات في الثانية. ووفقًا لقانون لينز ، يتناسب الجهد طرديًا مع المشتق الزمني للتدفق المغناطيسي. ويتضاعف الجهد بفعل النفاذية الظاهرية للقلب. وتُعرَّف هذه النفاذية الظاهرية (μa) على النحو التالي:

${\displaystyle \ {\mu} _{a}={\frac {\mu }{1+N\mu }}}$.

نجحت مهمة بايونير 5 أخيرًا في وضع مقياس مغناطيسي عامل من هذا النوع في مدار حول الشمس، مما أظهر وجود مجالات مغناطيسية بين مداري الأرض والزهرة. ^{[ 2 ] [ 7 ]} وُضع مقياس مغناطيسي واحد على طول مستوى عمودي على محور دوران المركبة الفضائية. أصبحت مقاييس المغناطيسية ذات ملف البحث أكثر شيوعًا في أقمار مراقبة الأرض. ومن الأدوات الشائعة الاستخدام مقياس المغناطيسية ثلاثي المحاور ذو ملف البحث. مرصد الجيوفيزياء المداري (مهمات OGO - من OGO-1 إلى OGO-6 ) ^{[ 8 ] [ 9 ]} استخدمت مهمة فيلا (القمر الصناعي) هذا النوع كجزء من حزمة لتحديد ما إذا كان تقييم الأسلحة النووية يُجرى خارج الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 10 ]} في سبتمبر 1979، جمع قمر فيلا الصناعي أدلة على احتمال حدوث انفجار نووي فوق جنوب غرب المحيط الهندي. في عام 1997، أنشأت الولايات المتحدة جهاز FAST المصمم لدراسة ظاهرة الشفق القطبي فوق القطبين. ^{[ 11 ]} ويقوم حاليًا بدراسة المجالات المغناطيسية على نطاق يتراوح بين 10 و30 ضعف نصف قطر الأرض باستخدام أقمار THEMIS الصناعية. ^{[ 12 ]} THEMIS، اختصارًا لـ " التاريخ الزمني للأحداث والتفاعلات واسعة النطاق أثناء العواصف المغناطيسية" ، عبارة عن مجموعة من خمسة أقمار صناعية تهدف إلى جمع معلومات تاريخية أكثر دقة حول كيفية نشوء العواصف المغناطيسية وتلاشيها. ^{[ 13 ]}

يوفر مقياس المغناطيسية من نوع أوفرهاوزر قياسات دقيقة للغاية لقوة المجال المغناطيسي . ويستخدم قمر أورستد الصناعي هذا النوع من مقاييس المغناطيسية لرسم خرائط المجالات المغناطيسية على سطح الأرض.

في مهمة فانغارد 3 (1959)، استُخدم مقياس مغناطيسي بروتوني لقياس المجالات المغناطيسية الأرضية. وكان مصدر البروتونات هو الهكسان. ^{[ 17 ]}

استُخدمت مقاييس المغناطيسية البسيطة هذه، التي تعمل بتقنية بوابة التدفق، في العديد من المهمات الفضائية. ففي مركبتي بايونير 6 وإنجون 1، رُكّبت مقاييس المغناطيسية على حامل خارجي للمركبة، وسُجّلت القراءات أثناء دوران المركبة كل 120 درجة. ^{[ 18 ]} وُضعت مقاييس المغناطيسية في مركبتي بايونير 7 وبايونير 8 بطريقة مماثلة. ^{[ 19 ]} أما في مركبة إكسبلورر 6، فقد رُكّبت بوابة التدفق على طول محور الدوران للتحقق من تتبع المركبة لخطوط المجال المغناطيسي. واستُخدمت مقاييس المغناطيسية ذات ملفات البحث في مركبات بايونير 1 ، وإكسبلورر 6، وبايونير 5 ، وديب سبيس 1 .

تم تركيب مقياس مغناطيسي ثنائي المحور على القمر الصناعي ATS-1 (قمر التطبيقات التكنولوجية). ^{[ 20 ]} وُضع أحد المستشعرين على  ذراع بطول 15 سم، والآخر على محور دوران المركبة الفضائية (قمر صناعي مُثبَّت بالدوران). استُخدمت الشمس لتحديد موقع الجهاز المُثبَّت على الذراع، ومن ثمّ حُسبت قياسات المتجهات ثلاثية المحاور. بالمقارنة مع مقاييس المغناطيسية الأخرى المُثبَّتة على أذرع، تميّز هذا التكوين بتداخل كبير. مع هذه المركبة الفضائية، حثّت الشمس تذبذبات مغناطيسية، مما سمح بمواصلة استخدام مقياس المغناطيسية بعد تعطل مستشعر الشمس . احتوى القمر الصناعي Explorer 10 على مقياسين مغناطيسيين من نوع Fluxgate، ولكنه يُصنَّف تقنيًا على أنه ذو تقنية مزدوجة لأنه كان يحتوي أيضًا على مقياس مغناطيسية من نوع Rubidium Vampire.

كان لدى سبوتنيك -3 مقياس مغناطيسي ذو بوابة تدفق متجهة ، ولكن نظرًا لعدم إمكانية تحديد اتجاه المركبة الفضائية، تعذر تحديد متجه اتجاه المجال المغناطيسي. استُخدمت مقاييس مغناطيسية ثلاثية المحاور في لونا 1 ، ولونا 2 ، وبيونير فينوس ، ومارينر 2 ، وفينيرا 1 ، وإكسبلورر 12 ، وإكسبلورر 14 ، وإكسبلورر 15. كان من المفترض أن تكون إكسبلورر 33 أول مركبة فضائية أمريكية تدخل مدارًا مستقرًا حول القمر، وقد زُوّدت بأحدث مقياس مغناطيسي، وهو مقياس مغناطيسي ثلاثي المحاور ذو بوابة تدفق (GFSC) مثبت على ذراع، من النوع المتجه المبكر. كان مداه قصيرًا، لكن دقته تصل إلى 0.25 نانوتسلا. [ ^{21 ] مع} ذلك، بعد عطل في الصاروخ، تُركت المركبة في مدار بيضاوي الشكل حول الأرض، يدور عبر الذيل الكهرومغناطيسي. ^{[ 22 ]}

استخدمت المركبتان الفضائيتان بايونير 9 وإكسبلورر 34 تصميمًا مشابهًا لتصميم إكسبلورر 33 لمسح المجال المغناطيسي داخل مدار الأرض حول الشمس. وكانت إكسبلورر 35 أول مركبة من نوعها تدخل مدارًا مستقرًا حول القمر، وقد أثبت ذلك أهميته لأنه بفضل مقياس المغناطيسية ثلاثي المحاور عالي الحساسية الموجود على متنها، تبيّن أن القمر لا يمتلك مجالًا مغناطيسيًا فعليًا، ولا حزامًا إشعاعيًا، وأن الرياح الشمسية تؤثر عليه بشكل مباشر. ^{[ 2 ]} وقامت مركبة لونار بروسبكتور بمسح المغناطيسية السطحية حول القمر (1998-1999) باستخدام مقاييس المغناطيسية ثلاثية المحاور (الممتدة). ومع مهمة أبولو 12، وُضعت مقاييس مغناطيسية مُحسّنة على سطح القمر كجزء من وحدة الهبوط القمرية / حزمة تجارب سطح القمر لأبولو.

(برنامج أبولو 14 للحماية من التسرب الجوي). ^{[ 23 ] [ 24 ]} استمر مقياس المغناطيسية في العمل لعدة أشهر بعد مغادرة وحدة العودة. كان مقياس المغناطيسية المحمول جزءًا من برنامج أبولو 14 للحماية من التسرب الجوي.

استُخدم مقياس المغناطيسية ثلاثي المحاور ذو الملف الحلقي لأول مرة في مهمة أبولو 16 لاستكشاف القمر. لاحقًا، استُخدم في القمر الصناعي ماغسات . أما مهمة ميسنجر، التي لا تزال قيد التطوير، فتستخدم مقياس مغناطيسية ثلاثي المحاور ذو ملف حلقي بمدى ±1000 ملي تسلا وحساسية 0.02 ملي تسلا، وتهدف إلى الحصول على معلومات تفصيلية عن الغلاف المغناطيسي لعطارد. ^{[ 25 ]} وكان أول استخدام لمقياس المغناطيسية الكروي ثلاثي المحاور على متن القمر الصناعي أورستد .

لكل نوع من أنواع مقاييس المغناطيسية نقاط ضعف خاصة به. قد تنجم هذه النقاط عن تصميم المقياس نفسه، أو طريقة تفاعله مع المركبة الفضائية، أو الإشعاع الشمسي، أو الرنين المغناطيسي، وغيرها. يُعد استخدام تصميم مختلف تمامًا وسيلةً لتحديد القراءات الناتجة عن المجالات المغناطيسية الطبيعية، ومجموع المجالات المغناطيسية المُعدَّلة بواسطة أنظمة المركبة الفضائية. إضافةً إلى ذلك، لكل نوع نقاط قوته. يُعد مقياس التدفق المغناطيسي (Fluxgate) جيدًا نسبيًا في توفير بيانات تُساعد في تحديد مصادر المجال المغناطيسي. من أوائل أنظمة التقنية المزدوجة كانت مهمة إكسبلورر 10 المختصرة ، والتي استخدمت مقياس تدفق مغناطيسي ثنائي المحور يعمل ببخار الروبيديوم. يتميز مقياس الهيليوم المتجهي بقدرته الأفضل على تتبع خطوط المجال المغناطيسي، كما أنه يعمل كمقياس مغناطيسي قياسي. استخدمت مركبة كاسيني الفضائية مقياس مغناطيسي بتقنية مزدوجة . أحد هذه الأجهزة هو مقياس التدفق المغناطيسي المتجهي ذو الملف الحلقي (RCFGM). أما الجهاز الآخر فهو مقياس مغناطيسي متجه/قياسي يعمل بالهيليوم. ^{[ 26 ]} يتم تركيب RCFGM على بعد 5.5 متر على ذراع بطول 11 متر مع جهاز الهيليوم في النهاية.

استخدمت المركبة الفضائية إكسبلورر 6 (1959) مقياس مغناطيسي ذو ملف بحث لقياس المجال المغناطيسي الإجمالي للأرض، بالإضافة إلى مقياس تدفق متجهي. ^{[ 27 ]} إلا أنه بسبب المغناطيسية المستحثة داخل المركبة، تشبع مستشعر التدفق ولم يرسل أي بيانات. وقد سعت البعثات اللاحقة إلى وضع مقاييس مغناطيسية على مسافة أبعد من المركبة الفضائية.

كان القمر الصناعي الجيولوجي Magsat Earth يستخدم تقنية مزدوجة. حمل هذا القمر الصناعي، بالإضافة إلى القمر Grm-A1، مقياس مغناطيسي قياسي يعمل ببخار السيزيوم ومقاييس مغناطيسية ذات بوابة تدفق متجهة. ^{[ 28 ] [ 29 ]} يحمل القمر Grm-A1 مقياس المغناطيسية على ذراع طوله 4 أمتار. صُممت هذه المركبة الفضائية تحديدًا للبقاء في مدار متساوي الجاذبية بدقة عالية أثناء إجراء القياسات. ^{[ 30 ]} ولأغراض مشابهة لـ Magsat، استخدم القمر الصناعي Ørsted أيضًا نظامًا بتقنية مزدوجة. يقع مقياس المغناطيسية Overhauser في نهاية ذراع طوله 8 أمتار، وذلك لتقليل التشويش الناتج عن الأنظمة الكهربائية للقمر الصناعي. يقع مقياس المغناطيسية ذو بوابة التدفق CSC داخل جسم القمر الصناعي ويرتبط بجهاز تتبع النجوم. من أبرز إنجازات المهمتين، Magsat وØrsted، رصد فترة تغير كبير في المجال المغناطيسي، مع احتمال فقدان ثنائي القطب، أو انعكاس القطب. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

تُركّب أبسط تطبيقات مقياس المغناطيسية مباشرةً على المركبات. مع ذلك، يُعرّض هذا المستشعر لتداخلات محتملة مثل تيارات المركبة والمواد الحديدية. بالنسبة للأعمال غير الحساسة نسبيًا، مثل "البوصلات" (استشعار الاتجاه) في المدار الأرضي المنخفض ، قد يكون هذا كافيًا.

تُثبّت أجهزة قياس المغناطيسية الأكثر حساسية على هياكل طويلة صلبة تُسمى أذرعًا، تُنشر بعيدًا عن المركبة (مثل فوياجر وكاسيني ). عندئذٍ، تتناقص العديد من المجالات الملوثة بشدة مع المسافة ، بينما تبدو المجالات الخلفية ثابتة. يمكن تركيب جهازي قياس مغناطيسية، أحدهما مثبت جزئيًا فقط على الذراع. ستظهر مجالات جسم المركبة مختلفة عند المسافتين، بينما قد تتغير المجالات الخلفية بشكل ملحوظ أو لا تتغير على هذه المقاييس. يجب أن تكون أذرع أجهزة قياس المغناطيسية المتجهة صلبة، لمنع ظهور حركات انثناء إضافية في البيانات.

تُركّب بعض المركبات أجهزة قياس المغناطيسية على ملحقات بسيطة موجودة، مثل الألواح الشمسية المصممة خصيصًا (مثل مركبة مارس غلوبال سيرفيور ، وجونو ، ومافن ). وهذا يوفر تكلفة ووزن ذراع منفصل. مع ذلك، يجب تركيب خلايا الألواح الشمسية بعناية واختبارها بدقة لتجنب تحولها إلى حقل ملوث .