推动人类探索太阳系，这位低调的华人女科学家功不可没

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推动人类探索太阳系，这位低调的华人女科学家功不可没

她在轨道动力学方面显示了过人天赋：主导或参与的一系列工作推动了人类探索水星、彗星、小行星以及太阳系内其他行星的进程。她的轨道设计为“信使号”水星轨道器的成功奠定了基础，为人类实现水星轨道器探测零的突破做出巨大贡献；她为彗星取样器与小行星探测器“星尘号”设计的轨道，帮助人类首次实现彗星物质取样并返回地球。而她是一位低调的科学家，甚至都没有多少公开的信息，但她不会被遗忘。

撰文 | 王善钦

在人类探索太阳系内的历程中，使用探测器近距离甚至零距离观测目标天体是最富有成效，但也是难度最大的方式。至今为止，人类已通过这种方式探索了太阳系内的各类天体。

发射探测器去目标天体的一个重要过程是轨道运行：从地球到目标天体，往往需要少则几十万千米，多则几十亿千米的距离。在这漫长的过程中，如何让探测器使用尽量少的推进剂，是一个核心问题：人们总是希望可以让探测器总质量尽可能的小，且在抵达目标天体时还有尽量多的推进剂来执行变轨等操作。

因此，为探测器设计最优化轨道的轨道动力学专家成为探测器项目中至关重要的成员。

在所有杰出的轨道动力学专家中，有一位华人女性科学家，她为人类探测水星、彗星、小行星等天体做出了杰出贡献。没有她，人类发射水星轨道器的进程可能会被推迟若干年。

她就是美国国家航空航天局（NASA）的轨道动力学专家颜刘贞婉。（本文在下面称其为“刘贞婉”。如果“颜”是她丈夫的姓，那么“刘贞婉”是她本来的姓名；如果“颜”是她父母一方的姓，那么“刘贞婉”就是她的名。）[注1]

从“北一女”到麻省理工学院

刘贞婉于 1944 年考入台湾最著名的女子学校“台北州立第一高等女学校”（简称“北一女”）。

刘贞婉在这里完成了初中与高中学业，然后考入台湾大学。大学毕业后，她前往麻省理工学院攻读物理学博士学位，并于 1964 年获得博士学位，研究领域为高能核物理学。

刘贞婉非常低调，能够找到的与她有关的资料非常少，除了她曾经就读的学校及其科学贡献之外，人们对其了解不多。以下是她为数不多非学术的个人信息：她居住在加州，与丈夫有 2 个儿子，平时喜欢弹钢琴、徒步旅行与画油画。[1] 1972 年[注2]，刘贞婉进入 NASA 喷气推进实验室（JPL）担任轨道动力学专家。在 JPL 工作期间，她的研究领域却不限于轨道动力学，而是涉及多个方向：木星、航天计算、航天仪器、人造卫星、航空电子学、行星大气、行星磁学、行星卫星、卫星导航、太阳风、宇宙飞船等多个领域。[2]

轨道动力学有关的工作需要高超的天体力学与数学才能，这些都与其博士期间主攻的高能核物理学显然有很大的差异。作为一个高能核物理学背景出身的学者，能够在轨道动力学方面获得杰出成就，这是非常难得的。

在入职 JPL 之后，刘贞婉参与设计了旅行者号（Voyager）等探测器的飞行轨道。而真正使她“一战封神”的是此后在水星探测轨道设计方面的重大突破。

水星轨道器难题

水星是太阳系八大行星中最接近太阳的行星。然而，在航天时代，水星却成为探索的冷门。直到 20 世纪 60 年代末，NASA 才开始认真准备发射水星探测器。

1970 年，应邀前往 JPL 开会的意大利帕多瓦大学的科学家、数学家和工程师朱塞佩·科伦坡（Giuseppe Colombo ，1920-1984）公布了他不久前设计的一个轨道方案：探测器离开地球后，借助金星引力助推，将速度提高，并将其近日点降低到水星的近日点；飞掠水星后，水星绕太阳公转 2 次的时间内，探测器绕太阳公转 1 次，由此探测器可以多次飞掠水星，观测水星的各种性质。

JPL 的专家通过计算验证了这个轨道的可行性。1973 年 11 月 3 日，“水手 10 号”（Mariner 10）探测器升空，于 1974 年 2 月 5 日飞掠金星，然后于 3 月 29 日、9 月 21 日与 1975 年 3 月 16 日 3 次成功飞掠水星，成为史上第一个探测水星的探测器，获得水星表面 40%-45% 的图像。


水手 10 号的备件。图片来源：Smithsonian Institution

受水手 10 号的成功的激励，天文学家与轨道动力学专家从 1974 年开始计划发射能够围绕水星公转的轨道器，从而可以持续而深入地观测水星的各种性质。

然而，让探测器环绕水星是非常困难的事。这是因为它附近的太阳引力强度太大。探测器在接近水星的过程中，太阳对探测器的强大引力将把探测器加速到高速。要让探测器环绕水星运动，必须要让高速探测器及时减速，然后寻找合适的方向插入水星轨道，绕水星公转。

相比之下，3 次飞掠水星的水手 10 号在第一次飞掠后是绕太阳公转，而不是绕水星公转，因此强引力导致的高速探测器的减速问题就没有那么尖锐。

此外，水星自身的质量是太阳系八大行星中最低的——仅为地球质量的 1/18 倍，火星质量的一半；因此，水星俘获探测器的能力更低。这进一步提高了探测器减速入轨的难题。

降低探测器速度的方法有两种。第一种方法是让探测器周期性地进入水星大气，依靠水星大气的阻力不断降低它的速度。第二种方法是携带大量的推进剂，通过点燃推进剂的方法实现减速。

水星的大气非常稀薄，所以第一种方法行不通。如果采用第二种方法，探测器要携带的推进剂质量太大，探测器自身的质量和体积就太大了。为了将其发射到水星附近，就需要使用推力特别大的重型运载火箭，代价太高。

因此，发射水星轨道器的梦想就这样被搁置了 10 年。

六次飞掠探水星

1985 年，刘贞婉选取不同的发射时间窗（最适合发射探测器的时间段）与轨道数据，通过计算来论证发射水星轨道器的可行性。刘贞婉发现[3]：如果探测器在飞行过程中多次飞掠金星与水星，再配合探测器的机动与姿态控制，就可以用相对很少的推进剂降低探测器与水星的相对速度，然后进入水星轨道。

由于所需推进剂的质量大大降低，可以用发射费用相对便宜的三角洲 II 号（Delta II）火箭来发射探测器。[4]这个方案解决了此前“既要省钱，又要入轨”的两难问题。

此后美国、欧洲与日本的航天专家与天文学家提出了各种具体方案，但因为各种原因被否决。最终，信使号（MESSENGER）[注3]因符合当时 NASA 的“更快、更好、更省”（faster, better, cheaper）的要求而于 1999 年 7 月入选 NASA 的“发现计划”（Discovery Program）系列。


信使号探测水星的艺术想象图。图片来源：NASA

在信使号被选中后，刘贞婉在 2001 年发表的论文中为它设计了 8 条新轨道[5]。其中第 7 条轨道的规划是：信使号于 2004 年 5 月 9 日被发射，然后 3 次飞掠金星（VGA1 、VGA2 与 VGA3），最后飞掠 1 次水星（MGA1），最后于 2009 年 7 月 2 日进入环绕水星的轨道。


刘贞婉于 2001 年设计的水星轨道器的新轨道中的第 7 个选项。从外到内的 3 条虚线圆圈分别代表地球（Earth）、金星（Venus）与水星（Mercury）的轨道。日期标注方式为“月/日/年”（下同）。图片来源：参考文献[5]

NASA 采用了这个方案，只是将发射时间往后推迟几天，定在 2004 年 5 月 11 日开始的 12 天窗口期内。但为了进一步测试探测器，NASA 又将发射时间推迟到 2004 年 7 月 30 日开始的 15 天发射窗口期。

为此，飞行的轨道被重新设计。根据新的轨道，信使号将飞掠地球 1 次、飞掠金星 2 次，然后 3 次飞掠水星，并于 2011 年 3 月 18 日进入轨道。这比原计划的抵达时间迟 2 年。从这 2 年的差异也可以看出刘贞婉设计的轨道的高明之处。

2004 年 8 月 3 日，信使号搭载三角洲 II 号火箭升空，加上携带的推进剂，探测器的总质量仅 1108 千克。


信使号搭载三角洲 II 号火箭升空的情景。图片来源：NASA

此后，信使号于 2005 年 8 月 2 日、2006 年 10 月 24 日、2007 年 6 月 5 日、2008 年 1 月 14 日、2008 年 10 月 6 日与 2009 年 9 月 29 日，先后飞掠地球、金星、金星、水星、水星与水星。除了这 6 次飞掠之外，信使号还进行了 5 次深空机动（DSM）操作，即点燃助推器，执行轨道修正。


信使号的轨道，6 次飞掠（flyby）与 5 次深空机动（DSM）也被分别标出。MOI 为水星轨道插入（Mercury Orbit Insertion）的缩写。图片来源：NASA

2011 年 3 月 18 日，信使号进入水星轨道，成为水星的第一个轨道器，即水星的第一颗人造卫星。由于水星没有天然卫星，所以信使号也是水星的第一颗卫星。从被发射到入轨，信使号飞行了 6 年 7 个月零 16 天，飞行的路程达到 79 亿千米。

虽然历时漫长，但这样的轨道节省了大量用以最终减速入轨的推进剂。人类也终于在刘贞婉的工作的基础上，以相当低的费用实现了向水星发射轨道器的愿望——它耗费不超过 4.5 亿美元。这比起动辄十几亿美元甚至几十亿美元的其他行星探测器，可以算得上非常便宜了。

从 2011 年 4 月 4 日到 2015 年 4 月 30 日，信使号一直在执行观测任务，获得了大量成果，有力深化了人类对水星的认识，且至今依然代表人类探测水星的最高水准。


信使号于 2008 年 10 月 6 日飞掠水星期间，在距离水星表面 27000 千米高度处拍摄的水星图像之一。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Arizona State University/Carnegie Institution of Washington

阿普丽尔·马登在 All about Space 一书中引用了天文学家保罗·伯恩（Paul Byrne）的话：“1985 年，喷气推进实验室的颜刘贞婉想到了一条轨道路线，你必须跟着这条路线才可以围绕水星轨道飞行。在此之前，我们根本不知道如何才能让一艘飞船环水星飞行。”[6]

星尘号的轨道设计者

刘贞婉的另一个重要工作是为星尘号（Stardust）采样/探测器设计轨道。星尘号的主要目标是直接采集彗星上面的物质，并携带返回地球。


星尘号采集彗星物质的艺术想象图。图片来源：NASA

1999 年 2 月 7 日，星尘号搭载三角洲II号火箭升空。在升空时，星尘号的总质量为 385 千克，其中推进剂的质量约80千克。


星尘号搭载三角洲 II 号火箭升空的情景。图片来源：NASA/JPL

下图是刘贞婉设计的星尘号的轨道的一部分的简图。图中黄色圆点是太阳；最小的灰色椭圆是地球的轨道；最大的灰色椭圆是怀尔德 2 号彗星的轨道。


刘贞婉设计的星尘号彗星采样探测器的轨道。图片来源：NASA - Stardust Launch Press Kit

星尘号轨道的几个重要节点是（参照上图）：

1、1999 年 2 月 7 日升空（红方块所示，图中误标为6日）；2、绕红轨道运行，于 2000 年 3 月 - 5 月搜集星际尘埃；3、2001 年 1 月 15 日飞掠地球（蓝方块所示，大部分被绿色方块覆盖）；4、2002 年 11 月 2 日，飞掠小行星“5535 安妮·弗兰克”（5535 Annefrank，图中未标注）；5、沿蓝轨道运行，于 2004 年 1 月 2 日与怀尔德 2 号（Wild-2）彗星相遇（黄方块所示），采集后者物质；6、继续沿蓝轨道运行，于 2002 年 7 月 - 12 月再次搜集星际尘埃；7、2006 年 1 月 15 日返回地球（绿色方块所示）上空，探测器将样品返回舱丢向地球大气后离开。

与样本返回舱分离后，星尘号探测器继续环绕太阳飞行，于 2011 年 2 月 15 日飞掠坦普尔 1 号（Tempel 1，9P/Tempel）彗星。由于星尘号运行持续到 2011 年，所以它的真实轨道比上图的轨道（到 2006 年）更复杂。


星尘号于 2011 年 2 月 14 日拍摄的坦普尔 1 号彗星的照片。图片来源：NASA/JPL-Caltech/Cornell

2011 年 3 月 24 日，星尘号烧掉剩余的推进剂，关闭通信，圆满完成任务。它携带的推进剂在最后还有多余，这要归功于设计轨道的刘贞婉。


星尘号在任务结束时燃烧剩余的推进剂的艺术想象图。图片来源：NASA/JPL

记得感谢她

在 JPL 工作的 40 多年间，刘贞婉不仅设计了信使号与星尘号的最优轨道，参与了旅行者号探测器的轨道设计，还参与了探测土星系统的卡西尼号（Cassini）、探测金星的麦哲伦号（MAGELLAN）、探测木星系统的伽利略号（Galileo）等探测器的轨道设计。她用自己的才智推动了人类探索太阳系内各类天体的进程。


太阳系内天体（八大行星，小行星，彗星）艺术想象图。图片来源：NASA/JPL

在星尘号成功升空后 2 个月，NASA 于 1999 年 4 月宣布将原编号为“4606 P-L”的小行星重新命名为“9249 颜”（“9249 Yen”）。[1]这既是对刘贞婉（颜刘贞婉）在设计星尘号轨道方面的表彰，也是对她近 30 年间为各种探测器轨道贡献精巧设计的表彰。


1999 年 4 月 9 日，NASA 的 JPL 官网发布新闻，标题是《以星尘号彗星任务设计者命名小行星》（Asteroid Named for Stardust Comet Mission Designer）。图片来源：参考文献[1]的截图

2018 年 10 月 20 日，为纪念朱塞佩·科伦坡而命名的新一代水星轨道器“贝皮·科伦坡”号（BepiColombo ，科伦坡的昵称是 Bepi）升空。类似于信使号，科伦坡号将用 7 年多时间飞掠地球 1 次、飞掠金星 2 次、飞掠水星 6 次，然后于 2025 年 12 月抵达水星，环绕水星，成为人类历史上第 3 个水星探测器与第 2 个水星轨道器。


刘贞婉 图源：参考文献[2]

由于科伦坡号的轨道模式高度复制了信使号的轨道模式，采用的也是刘贞婉于 1985 年提出的方案，所以美国航天历史专家 Dwayne Day 说：“当它（贝皮·科伦坡号）到达水星时，希望人们除了感谢朱塞佩·科伦坡之外，还会对刘贞婉表示一点感谢，她在 40 年前做了计算，激发了人们对水星轨道的思考。”[注4]

注释

[注1] 颜刘贞婉的英文名全称为 Chen-Wan Liu Yen，她自己通常缩写为 Chen-wan L. Yen 或C. W. L. Yen；一些资料则省略 Liu ，而写为 Chen-Wan Yen 或 C. L. Yen 。在文献中，姓也经常被放在名前，因此有其他各种对应的写法，如 Yen, C. L.。

[注2] 根据参考文献[1]中提到的“Since joining JPL 27 years ago”以及报道的日期（1999年）倒推出来。

[注3] 信使号的英文是“水星表面，空间环境，地质化学与测距”（Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging）的缩写。

[注4] 原文为：“When it reaches Mercury, hopefully, in addition to Giuseppe Colombo, some people will give a little thanks to Chen-Wan Yen, who 40 years earlier made the calculations that inspired people to think about orbiting Mercury. ”全文见参考文献[4]。

参考文献

[1] https://www.jpl.nasa.gov/news/as ... et-mission-designer
[2] https://ieeexplore.ieee.org/author/37088722238
[3] Yen, C. L., “Ballistic Mercury Orbiter Mission via Venus and Mercury Gravity Assists,” AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, Paper AAS 85-346, Vail, CO, August 12-15, 1985.
[4] https://www.thespacereview.com/article/4349/1
[5] Yen, C. L., “New Trajectory Options for Ballistic Mercury Orbiter Mission,” AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Paper AAS 01-158, Santa Barbara, CA, February 11-15, 2001.
[6] 阿普丽尔·马登：All About Space；中译本为《飞向宇宙深处》（中国画报出版社，2019 年 9 月第一版），译者李诗聪，引文的中文来自该书中文版第 63 页第一段，仅将“喷射”改为“喷气”（根据中国科学技术出版社《英汉天文学名词》，2015 年 9 月，第一版）。

原创 王善钦 返朴 2023-07-22 08:01 发表于北京