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,有一位华裔女性科学家,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。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。
1972年,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。
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: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。
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。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。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。
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、探测金星的麦哲伦号、探测木星系统的伽利略号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。