她在軌道動(dòng)力學(xué)方面顯示了過人天賦：主導(dǎo)或參與的一系列工作推動(dòng)了人類探索水星、彗星、小行星以及太陽系內(nèi)其他行星的進(jìn)程。她的軌道設(shè)計(jì)為“信使號(hào)”水星軌道器的成功奠定了基礎(chǔ)，為人類實(shí)現(xiàn)水星軌道器探測(cè)零的突破做出巨大貢獻(xiàn)；她為彗星取樣器與小行星探測(cè)器“星塵號(hào)”設(shè)計(jì)的軌道，幫助人類首次實(shí)現(xiàn)彗星物質(zhì)取樣并返回地球。而她是一位低調(diào)的科學(xué)家，甚至都沒有多少公開的信息，但她不會(huì)被遺忘。

撰文?|?王善欽

在人類探索太陽系內(nèi)的歷程中，使用探測(cè)器近距離甚至零距離觀測(cè)目標(biāo)天體是最富有成效，但也是難度最大的方式。至今為止，人類已通過這種方式探索了太陽系內(nèi)的各類天體。
發(fā)射探測(cè)器去目標(biāo)天體的一個(gè)重要過程是軌道運(yùn)行：從地球到目標(biāo)天體，往往需要少則幾十萬千米，多則幾十億千米的距離。在這漫長(zhǎng)的過程中，如何讓探測(cè)器使用盡量少的推進(jìn)劑，是一個(gè)核心問題：人們總是希望可以讓探測(cè)器總質(zhì)量盡可能的小，且在抵達(dá)目標(biāo)天體時(shí)還有盡量多的推進(jìn)劑來執(zhí)行變軌等操作。
因此，為探測(cè)器設(shè)計(jì)最優(yōu)化軌道的軌道動(dòng)力學(xué)專家成為探測(cè)器項(xiàng)目中至關(guān)重要的成員。
在所有杰出的軌道動(dòng)力學(xué)專家中，有一位華人女性科學(xué)家，她為人類探測(cè)水星、彗星、小行星等天體做出了杰出貢獻(xiàn)。沒有她，人類發(fā)射水星軌道器的進(jìn)程可能會(huì)被推遲若干年。
她就是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的軌道動(dòng)力學(xué)專家顏劉貞婉。（本文在下面稱其為“劉貞婉”。如果顏是她丈夫的姓，那么這是她本來的姓名；如果顏是她父母一方的姓，那么這就是她的名。）[注1]

從“北一女”到麻省理工學(xué)院

劉貞婉于1944年考入臺(tái)灣最著名的女子學(xué)校“臺(tái)北州立第一高等女學(xué)?！?/span>（簡(jiǎn)稱“北一女”）。
劉貞婉在這里完成了初中與高中學(xué)業(yè)，然后考入臺(tái)灣大學(xué)。大學(xué)畢業(yè)后，她前往麻省理工學(xué)院攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，并于1964年獲得博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楦吣芎宋锢韺W(xué)。
劉貞婉非常低調(diào)，能夠找到的與她有關(guān)的資料非常少，除了她曾經(jīng)就讀的學(xué)校及其科學(xué)貢獻(xiàn)之外，人們對(duì)其了解不多。以下是她為數(shù)不多非學(xué)術(shù)的個(gè)人信息：她居住在加州，與丈夫有2個(gè)兒子，平時(shí)喜歡彈鋼琴、徒步旅行與畫油畫。[1]1972年[注2]，劉貞婉進(jìn)入NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）擔(dān)任軌道動(dòng)力學(xué)專家。在JPL工作期間，她的研究領(lǐng)域卻不限于軌道動(dòng)力學(xué)，而是涉及多個(gè)方向：木星、航天計(jì)算、航天儀器、人造衛(wèi)星、航空電子學(xué)、行星大氣、行星磁學(xué)、行星衛(wèi)星、衛(wèi)星導(dǎo)航、太陽風(fēng)、宇宙飛船等多個(gè)領(lǐng)域。[2]
軌道動(dòng)力學(xué)有關(guān)的工作需要高超的天體力學(xué)與數(shù)學(xué)才能，這些都與其博士期間主攻的高能核物理學(xué)顯然有很大的差異。作為一個(gè)高能核物理學(xué)背景出身的學(xué)者，能夠在軌道動(dòng)力學(xué)方面獲得杰出成就，這是非常難得的。
在入職JPL之后，劉貞婉參與設(shè)計(jì)了旅行者號(hào)（Voyager）等探測(cè)器的飛行軌道。而真正使她“一戰(zhàn)封神”的是此后在水星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)方面的重大突破。

水星軌道器難題

水星是太陽系八大行星中最接近太陽的行星。然而，在航天時(shí)代，水星卻成為探索的冷門。直到20世紀(jì)60年代末，NASA才開始認(rèn)真準(zhǔn)備發(fā)射水星探測(cè)器。
1970年，應(yīng)邀前往JPL開會(huì)的意大利帕多瓦大學(xué)的科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師朱塞佩·科倫坡（Giuseppe Colombo，1920-1984）公布了他不久前設(shè)計(jì)的一個(gè)軌道方案：探測(cè)器離開地球后，借助金星引力助推，將速度提高，并將其近日點(diǎn)降低到水星的近日點(diǎn)；飛掠水星后，水星繞太陽公轉(zhuǎn)2次的時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器繞太陽公轉(zhuǎn)1次，由此探測(cè)器可以多次飛掠水星，觀測(cè)水星的各種性質(zhì)。
JPL的專家通過計(jì)算驗(yàn)證了這個(gè)軌道的可行性。1973年11月3日，“水手10號(hào)”（Mariner 10）探測(cè)器升空，于1974年2月5日飛掠金星，然后于3月29日、9月21日與1975年3月16日3次成功飛掠水星，成為史上第一個(gè)探測(cè)水星的探測(cè)器，獲得水星表面40%-45%的圖像。

水手10號(hào)的備件。圖片來源：Smithsonian Institution
受水手10號(hào)的成功的激勵(lì)，天文學(xué)家與軌道動(dòng)力學(xué)專家從1974年開始計(jì)劃發(fā)射能夠圍繞水星公轉(zhuǎn)的軌道器，從而可以持續(xù)而深入地觀測(cè)水星的各種性質(zhì)。
然而，讓探測(cè)器環(huán)繞水星是非常困難的事。這是因?yàn)樗浇奶栆?qiáng)度太大。探測(cè)器在接近水星的過程中，太陽對(duì)探測(cè)器的強(qiáng)大引力將把探測(cè)器加速到高速。要讓探測(cè)器環(huán)繞水星運(yùn)動(dòng)，必須要讓高速探測(cè)器及時(shí)減速，然后尋找合適的方向插入水星軌道，繞水星公轉(zhuǎn)。
相比之下，3次飛掠水星的水手10號(hào)在第一次飛掠后是繞太陽公轉(zhuǎn)，而不是繞水星公轉(zhuǎn)，因此強(qiáng)引力導(dǎo)致的高速探測(cè)器的減速問題就沒有那么尖銳。
此外，水星自身的質(zhì)量是太陽系八大行星中最低的——僅為地球質(zhì)量的1/18倍，火星質(zhì)量的一半；因此，水星俘獲探測(cè)器的能力更低。這進(jìn)一步提高了探測(cè)器減速入軌的難題。
降低探測(cè)器速度的方法有兩種。第一種方法是讓探測(cè)器周期性地進(jìn)入水星大氣，依靠水星大氣的阻力不斷降低它的速度。第二種方法是攜帶大量的推進(jìn)劑，通過點(diǎn)燃推進(jìn)劑的方法實(shí)現(xiàn)減速。
水星的大氣非常稀薄，所以第一種方法行不通。如果采用第二種方法，探測(cè)器要攜帶的推進(jìn)劑質(zhì)量太大，探測(cè)器自身的質(zhì)量和體積就太大了。為了將其發(fā)射到水星附近，就需要使用推力特別大的重型運(yùn)載火箭，代價(jià)太高。
因此，發(fā)射水星軌道器的夢(mèng)想就這樣被擱置了10年。

六次飛掠探水星

1985年，劉貞婉選取不同的發(fā)射時(shí)間窗（最適合發(fā)射探測(cè)器的時(shí)間段）與軌道數(shù)據(jù)，通過計(jì)算來論證發(fā)射水星軌道器的可行性。劉貞婉發(fā)現(xiàn)[3]：如果探測(cè)器在飛行過程中多次飛掠金星與水星，再配合探測(cè)器的機(jī)動(dòng)與姿態(tài)控制，就可以用相對(duì)很少的推進(jìn)劑降低探測(cè)器與水星的相對(duì)速度，然后進(jìn)入水星軌道。
由于所需推進(jìn)劑的質(zhì)量大大降低，可以用發(fā)射費(fèi)用相對(duì)便宜的三角洲II號(hào)（Delta II）火箭來發(fā)射探測(cè)器。[4]這個(gè)方案解決了此前“既要省錢，又要入軌”的兩難問題。
此后美國(guó)、歐洲與日本的航天專家與天文學(xué)家提出了各種具體方案，但因?yàn)楦鞣N原因被否決。最終，信使號(hào)（MESSENGER）[注3]因符合當(dāng)時(shí)NASA的“更快、更好、更省”（faster, better, cheaper）的要求而于1999年7月入選NASA的“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”（Discovery Program）系列。

信使號(hào)探測(cè)水星的藝術(shù)想象圖。圖片來源：NASA
在信使號(hào)被選中后，劉貞婉在2001年發(fā)表的論文中為它設(shè)計(jì)了8條新軌道[5]。其中第7條軌道的規(guī)劃是：信使號(hào)于2004年5月9日被發(fā)射，然后3次飛掠金星（VGA1、VGA2與VGA3），最后飛掠1次水星（MGA1），最后于2009年7月2日進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道。

劉貞婉于2001年設(shè)計(jì)的水星軌道器的新軌道中的第7個(gè)選項(xiàng)。從外到內(nèi)的3條虛線圓圈分別代表地球（Earth）、金星（Venus）與水星（Mercury）的軌道。日期標(biāo)注方式為“月/日/年”（下同）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]

NASA采用了這個(gè)方案，只是將發(fā)射時(shí)間往后推遲幾天，定在2004年5月11日開始的12天窗口期內(nèi)。但為了進(jìn)一步測(cè)試探測(cè)器，NASA又將發(fā)射時(shí)間推遲到2004年7月30日開始的15天發(fā)射窗口期。
為此，飛行的軌道被重新設(shè)計(jì)。根據(jù)新的軌道，信使號(hào)將飛掠地球1次、飛掠金星2次，然后3次飛掠水星，并于2011年3月18日進(jìn)入軌道。這比原計(jì)劃的抵達(dá)時(shí)間遲2年。從這2年的差異也可以看出劉貞婉設(shè)計(jì)的軌道的高明之處。
2004年8月3日，信使號(hào)搭載三角洲II號(hào)火箭升空，加上攜帶的推進(jìn)劑，探測(cè)器的總質(zhì)量?jī)H1108千克。

信使號(hào)搭載三角洲II號(hào)火箭升空的情景。圖片來源：NASA
此后，信使號(hào)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日與2009年9月29日，先后飛掠地球、金星、金星、水星、水星與水星。除了這6次飛掠之外，信使號(hào)還進(jìn)行了5次深空機(jī)動(dòng)（DSM）操作，即點(diǎn)燃助推器，執(zhí)行軌道修正。

信使號(hào)的軌道，6次飛掠（flyby）與5次深空機(jī)動(dòng)（DSM）也被分別標(biāo)出。MOI為水星軌道插入（Mercury Orbit Insertion）的縮寫。圖片來源：NASA

2011年3月18日，信使號(hào)進(jìn)入水星軌道，成為水星的第一個(gè)軌道器，即水星的第一顆人造衛(wèi)星。由于水星沒有天然衛(wèi)星，所以信使號(hào)也是水星的第一顆衛(wèi)星。從被發(fā)射到入軌，信使號(hào)飛行了6年7個(gè)月零16天，飛行的路程達(dá)到79億千米。
雖然歷時(shí)漫長(zhǎng)，但這樣的軌道節(jié)省了大量用以最終減速入軌的推進(jìn)劑。人類也終于在劉貞婉的工作的基礎(chǔ)上，以相當(dāng)?shù)偷馁M(fèi)用實(shí)現(xiàn)了向水星發(fā)射軌道器的愿望——它耗費(fèi)不超過4.5億美元。這比起動(dòng)輒十幾億美元甚至幾十億美元的其他行星探測(cè)器，可以算得上非常便宜了。
從2011年4月4日到2015年4月30日，信使號(hào)一直在執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)，獲得了大量成果，有力深化了人類對(duì)水星的認(rèn)識(shí)，且至今依然代表人類探測(cè)水星的最高水準(zhǔn)。

信使號(hào)于2008年10月6日飛掠水星期間，在距離水星表面27000千米高度處拍攝的水星圖像之一。圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Arizona State University/Carnegie Institution of Washington

阿普麗爾·馬登在All about Space一書中引用了天文學(xué)家保羅·伯恩（Paul Byrne）的話：“1985年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的顏劉貞婉想到了一條軌道路線，你必須跟著這條路線才可以圍繞水星軌道飛行。在此之前，我們根本不知道如何才能讓一艘飛船環(huán)水星飛行?！?span id="s0sssss00s" class="font-size-12">[6]

星塵號(hào)的軌道設(shè)計(jì)者

劉貞婉的另一個(gè)重要工作是為星塵號(hào)（Stardust）采樣/探測(cè)器設(shè)計(jì)軌道。星塵號(hào)的主要目標(biāo)是直接采集彗星上面的物質(zhì)，并攜帶返回地球。

星塵號(hào)采集彗星物質(zhì)的藝術(shù)想象圖。圖片來源：NASA
1999年2月7日，星塵號(hào)搭載三角洲II號(hào)火箭升空。在升空時(shí)，星塵號(hào)的總質(zhì)量為385千克，其中推進(jìn)劑的質(zhì)量約80千克。

星塵號(hào)搭載三角洲II號(hào)火箭升空的情景。圖片來源：NASA/JPL
下圖是劉貞婉設(shè)計(jì)的星塵號(hào)的軌道的一部分的簡(jiǎn)圖。圖中黃色圓點(diǎn)是太陽；最小的灰色橢圓是地球的軌道；最大的灰色橢圓是懷爾德2號(hào)彗星的軌道。

劉貞婉設(shè)計(jì)的星塵號(hào)彗星采樣探測(cè)器的軌道。圖片來源：NASA - Stardust Launch Press Kit

星塵號(hào)軌道的幾個(gè)重要節(jié)點(diǎn)是（參照上圖）：

1、1999年2月7日升空（紅方塊所示，圖中誤標(biāo)為6日）；2、繞紅軌道運(yùn)行，于2000年3月-5月搜集星際塵埃；3、2001年1月15日飛掠地球（藍(lán)方塊所示，大部分被綠色方塊覆蓋）；4、2002年11月2日，飛掠小行星“5535安妮·弗蘭克”（5535 Annefrank，圖中未標(biāo)注）；5、沿藍(lán)軌道運(yùn)行，于2004年1月2日與懷爾德2號(hào)（Wild-2）彗星相遇（黃方塊所示），采集后者物質(zhì)；6、繼續(xù)沿藍(lán)軌道運(yùn)行，于2002年7月-12月再次搜集星際塵埃；7、2006年1月15日返回地球（綠色方塊所示）上空，探測(cè)器將樣品返回艙丟向地球大氣后離開。
與樣本返回艙分離后，星塵號(hào)探測(cè)器繼續(xù)環(huán)繞太陽飛行，于2011年2月15日飛掠坦普爾1號(hào)（Tempel 1，9P/Tempel）彗星。由于星塵號(hào)運(yùn)行持續(xù)到2011年，所以它的真實(shí)軌道比上圖的軌道（到2006年）更復(fù)雜。

星塵號(hào)于2011年2月14日拍攝的坦普爾1號(hào)彗星的照片。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Cornell

2011年3月24日，星塵號(hào)燒掉剩余的推進(jìn)劑，關(guān)閉通信，圓滿完成任務(wù)。它攜帶的推進(jìn)劑在最后還有多余，這要?dú)w功于設(shè)計(jì)軌道的劉貞婉。

星塵號(hào)在任務(wù)結(jié)束時(shí)燃燒剩余的推進(jìn)劑的藝術(shù)想象圖。圖片來源：NASA/JPL

記得感謝她

在JPL工作的40多年間，劉貞婉不僅設(shè)計(jì)了信使號(hào)與星塵號(hào)的最優(yōu)軌道，參與了旅行者號(hào)探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)，還參與了探測(cè)土星系統(tǒng)的卡西尼號(hào)（Cassini）、探測(cè)金星的麥哲倫號(hào)（MAGELLAN）、探測(cè)木星系統(tǒng)的伽利略號(hào)（Galileo）等探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)。她用自己的才智推動(dòng)了人類探索太陽系內(nèi)各類天體的進(jìn)程。

太陽系內(nèi)天體（八大行星，小行星，彗星）藝術(shù)想象圖。圖片來源：NASA/JPL
在星塵號(hào)成功升空后2個(gè)月，NASA于1999年4月宣布將原編號(hào)為“4606 P-L”的小行星重新命名為“9249顏”（“9249 Yen”）。[1]這既是對(duì)劉貞婉（顏劉貞婉）在設(shè)計(jì)星塵號(hào)軌道方面的表彰，也是對(duì)她近30年間為各種探測(cè)器軌道貢獻(xiàn)精巧設(shè)計(jì)的表彰。

1999年4月9日，NASA的JPL官網(wǎng)發(fā)布新聞，標(biāo)題是《以星塵號(hào)彗星任務(wù)設(shè)計(jì)者命名小行星》（Asteroid Named for Stardust Comet Mission Designer）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]的截圖

2018年10月20日，為紀(jì)念朱塞佩·科倫坡而命名的新一代水星軌道器“貝皮·科倫坡”號(hào)（BepiColombo，科倫坡的昵稱是Bepi）升空。類似于信使號(hào)，科倫坡號(hào)將用7年多時(shí)間飛掠地球1次、飛掠金星2次、飛掠水星6次，然后于2025年12月抵達(dá)水星，環(huán)繞水星，成為人類歷史上第3個(gè)水星探測(cè)器與第2個(gè)水星軌道器。

劉貞婉?圖源：參考文獻(xiàn)[2]
由于科倫坡號(hào)的軌道模式高度復(fù)制了信使號(hào)的軌道模式，采用的也是劉貞婉于1985年提出的方案，所以美國(guó)航天歷史專家Dwayne Day說：“當(dāng)它（貝皮·科倫坡號(hào)）到達(dá)水星時(shí)，希望人們除了感謝朱塞佩·科倫坡之外，還會(huì)對(duì)劉貞婉表示一點(diǎn)感謝，她在40年前做了計(jì)算，激發(fā)了人們對(duì)水星軌道的思考。”[注4]

注釋

[注1] 顏劉貞婉的英文名全稱為Chen-Wan Liu Yen，她自己通?？s寫為Chen-wan L. Yen或C. W. L. Yen；一些資料則省略Liu，而寫為Chen-Wan Yen或C. L. Yen。在文獻(xiàn)中，姓也經(jīng)常被放在名前，因此有其他各種對(duì)應(yīng)的寫法，如Yen, C. L.

[注2] 根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中提到的“Since joining JPL 27 years ago”以及報(bào)道的日期（1999年）倒推出來。

[注3]信使號(hào)的英文是“水星表面，空間環(huán)境，地質(zhì)化學(xué)與測(cè)距”（Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging）的縮寫。

[注4]原文為：“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. ”全文見參考文獻(xiàn)[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.jpl.nasa.gov/news/asteroid-named-for-stardust-comet-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] 阿普麗爾·馬登：All About Space；中譯本為《飛向宇宙深處》（中國(guó)畫報(bào)出版社，2019年9月第一版），譯者李詩聰，引文的中文來自該書中文版第63頁第一段，僅將“噴射”改為“噴氣”（根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社《英漢天文學(xué)名詞》，2015年9月，第一版）。

本文受科普中國(guó)·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司