从太阳系的边界到中心，她是探测器的“旅行规划师”
我们派出探测器去探索太空，就必须规划一条前往目的地的可靠路线。探测器的任务能否顺利执行，取决于科学家们能否找到一位优秀的“旅行规划师”。
有一位华裔科学家正是这样的“旅行规划师”。从飞向太阳系边缘的新视野号，到飞向太阳系中心的帕克太阳探测器，都离不开她的“攻略”。
为了表彰她的杰出成就，有一颗小行星以她命名——Guo。
撰文 | 鞠强
编辑 | 一块肉饼
出去旅游懒得动脑子？那就报个旅行团，拿着现成的攻略出行。一名合格的导游不仅仅只是会制作攻略，还要能够恰当地选择交通工具，巧妙地设定旅行路线，让游客轻松顺利抵达目的地的同时，尽享当地风光。
去太空“旅行”也是一个道理——虽然除了月球，其他地方人类目前无法亲自前往。但我们可以派出探测器去探索太空。这么一来，我们就必须为探测器规划一条前往目的地的可靠路线。这个路线可远比旅游攻略要精细得多。探测器的任务能否顺利执行，取决于科学家们能否找到一位优秀的“旅行规划师”。
华裔科学家郭艳萍（音译自Yanping Guo）正是这样一位“旅行规划师”。从飞向太阳系边缘的新视野号，到飞向太阳系中心的帕克太阳探测器，都离不开她的“攻略”。
郭艳萍和她设计的新视野号飞行路线（图源：JHUAPL）
在读书的时候，郭艳萍其实并没有怎么接触过探测器。她在美国天主教大学（The Catholic University of America）获得了物理学博士学位，以核辐射和固体物理为研究方向。在作为博士后研究员加入约翰霍普金斯大学应用物理实验室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory）①后，机缘巧合，投身到了航天器轨道设计的工作中，从此一发不可收拾。2004年，国际天文学联合会（IAU）将28513号小行星命名为Guo，以表彰郭艳萍在航天工程领域内的杰出成就。这样的荣誉，于她而言是实至名归。
飞掠冥王星
2015年7月14日，新视野号探测器（New Horizons）飞掠冥王星，发回有史以来最清晰的冥王星照片，让全世界都为之惊讶。特别是当时冥王星上的一个心形区域，更成为社交媒体上的热门话题。但很多人不知道的是，为了抵达这颗遥远的矮行星，新视野号早在2006年1月19日就已经启程出发。
新视野号拍到的冥王星（图源：NASA）
设计一个合适的路线，把一台探测器送到如此遥远的地方，无疑是一个巨大的挑战——在设计新视野号时，郭艳萍接受了这个挑战。她设计的路线非常巧妙和精确：新视野号并非使用自身的推进器来完成变轨和加速从而直接飞向冥王星，而是借助了木星的引力弹弓效应②。经历9年多时间抵达冥王星时，飞掠时间和预计时间只相差了72秒。
新视野号的飞行路线。目前，新视野号正在飞向下一个目标——小行星2014 MU69，并计划在2019年1月1日完成飞掠。（图源：JHUAPL）
值得一提的是，除了郭艳萍，在新视野号团队中不乏女性科学家和工程师的身影。她们的人数占整个团队的大约25%，这在太空探索任务中是相当高的比例。
2015年7月11日，就在新视野号飞掠冥王星3天前，团队部分女性成员拍摄了这张合影。照片摄于约翰霍普金斯大学应用物理实验室，图中唯一的华人面孔就是郭艳萍。（图源：JHUAPL）
离太阳最近
在新视野号进行星际飞行期间，郭艳萍也在发表大量论文和报告，介绍如何设计到达太阳系内各天体的路线。同时，她将目光则瞄向了太阳系的中心——太阳，计划一场前所未有的逐日之旅。
今年8月12日，美国国家航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）发射升空飞向太阳。帕克太阳探测器的任务是对日冕和太阳风进行研究，从而加深人类对于太阳物理的认识，并将获得的知识扩展到对其他恒星的研究中。探测器以现年91岁的美国天体物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）命名。正是他在60年前最早提出了太阳风理论。
帕克太阳探测器工作想象图（图源：NASA）
如果一切顺利，帕克号将成为有史以来距离太阳最近的探测器。在任务周期内，它距离太阳最近时仅有大约600万千米，约为此前距离太阳最近的探测器太阳神2 号的1/7。日冕层的范围从太阳表面向外延伸超过1000万千米，因此帕克号也将成为首个进入日冕层进行观测的探测器。
地球与太阳之间的平均距离为1.5亿千米，这个距离被定义为一个天文单位（1 AU）。地球和冥王星之间的距离大约有40AU。因此有人认为，飞向太阳反而比较轻松。然而事实绝非如此——帕克号的路线同样由郭艳萍设计。在她看来，所有太阳系的探测任务中，这次旅程最为困难。
地球公转的速度能够达到30千米/秒，产生的离心力使地球能够抵抗太阳巨大的引力，从而安全地待在自己的轨道上。但这样一来，对任何从地球上发射并飞向太阳的探测器来说，不论有多快的速度，它自身具有的动量仍会使它绕着太阳飞行。相比之下，如果发射一台前往火星的探测器，只要稍微提高它的轨道速度就可以了。
借助金星的力量
想要飞向太阳，探测器必须通过减速来降低轨道。搭载帕克号升空的是目前运载能力最强的火箭之一的德尔塔4型重型火箭，但即便如此，它能起到的减速效果也微乎其微，因此郭艳萍必须依靠其他力量来实现为帕克号减速的目标。这一次，她借助了金星的力量。
郭艳萍不仅要利用金星的引力效应，还一口气要用到7次。每一次帕克号飞掠金星，金星的引力都会将它拉向表面，从而不断地为它减速并改变飞向太阳的轨道，最终使帕克号足够靠近太阳，完成预定的探测任务。郭艳萍必须精确地计算帕克号的速度、轨道和金星的位置，再综合考虑，才能在正确的时间和正确的位置完成每一次飞掠。
利用这7次飞掠，帕克号在任务周期内能够24次飞掠太阳，有足够的时间来收集数据。而在最后3次接近太阳的时候，帕克号的最高速度将达到200千米/秒，成为有史以来速度最快的探测器。
帕克太阳探测器任务时间轴。左侧轴表示探测器的速度，单位为km/s；右侧轴表示探测器同太阳的距离，单位是Gm（百万千米）。在任务中，探测器绕日24圈，红圈表示到达近日点。随着任务的进行，每次到达近日点，速度越来越大，距离太阳越来越近。在任务的最后3圈，探测器距离太阳只有大约600万千米，速度接近200km/s。任务中，探测器会7次飞掠金星，绿圈表示飞掠。（图源：NASA）
在帕克号飞向太阳的这段时间里，我们不知道郭艳萍的下一项挑战是什么，也不知道她还会有什么奇思妙想。但是，作为一个“资深玩家”，她似乎已经对每颗行星的引力效应了如指掌。当郭艳萍下一次出现在我们的视野中的时候，她会带给我们更大的惊喜吗？
我们有理由期待，从太阳系的边界到中心，最精彩的故事才刚刚开始。
注释
①该实验室是约翰霍普金斯大学附属的研究机构，同时与美国国家航空航天局（NASA）和美国国防部等政府机构建立了紧密的合作关系，研究领域包括空间科学、计算机安全和军用技术等，目前雇员超过6000人。
②引力弹弓效应又称引力助推，指的是利用行星的引力场改变探测器的轨道和速度，不仅可以节省燃料，还能增大动力。