この控えめな中国の女性科学者は、人類による太陽系探査の促進に消えることのない貢献を果たした。

彼女は軌道力学において並外れた才能を発揮し、水星、彗星、小惑星、太陽系の他の惑星の人類による探査を促進する一連の研究を主導、あるいは参加しました。彼女の軌道設計は水星探査機「メッセンジャー」の成功の基礎を築き、人類の水星探査における画期的な進歩に大きく貢献しました。彼女が彗星サンプラー兼小惑星探査機「スターダスト」のために設計した軌道は、人類が初めて彗星物質を採取し、地球に持ち帰るのに役立ちました。彼女は目立たない科学者であり、彼女についての公開情報はあまりありませんが、忘れられることはないでしょう。

著者 |王山琴

人類による太陽系の探査の過程では、探査機を使って対象天体を近距離、あるいはゼロ距離で観測することが最も効果的ですが、最も困難な方法でもあります。これまで人類はこのようにして太陽系のさまざまな天体の探査を行ってきました。

探査機を目標天体に打ち上げる際の重要なプロセスは軌道操作です。地球から目標天体までの距離は、数十万キロメートルから数十億キロメートルに及ぶことがよくあります。この長いプロセスの中で、探査機が使用する推進剤をいかに少なくするかが中心的な課題です。人々は常に、探査機の総質量をできるだけ小さくし、目標の天体に到達したときに軌道変更などの操作を実行するためにできるだけ多くの推進剤を確保することを望んでいます。

したがって、探査機に最適な軌道を設計する軌道力学の専門家は、探査機プロジェクトの重要なメンバーになります。

優れた軌道力学の専門家たちの中に、水星、彗星、小惑星などの天体の人類探査に多大な貢献をした中国の女性科学者がいる。彼女がいなければ、人類の水星探査機の打ち上げは数年遅れていただろう。

彼女はアメリカ航空宇宙局（NASA）の軌道力学の専門家、ヤン・リウ・ジェンワンです。 （以下、本稿では劉振万と表記する。ヤンが夫の姓であれば、これが彼女の本来の名前、ヤンが両親の姓であれば、これが彼女の名である。） [注 1]

台北第一女子中学からMITへ

1944年、劉振万は台湾で最も有名な女子校である台北第一国立女子高等学校（略称「台北第一女子高等学校」）に入学しました。

劉振万さんはここで中学・高校教育を修了し、その後国立台湾大学に入学した。大学卒業後、彼女は物理学の博士号を取得するためにMITに進学し、高エネルギー原子核物理学の研究で1964年に博士号を取得しました。

劉振万は非常に控えめな人物であり、彼女に関する情報はほとんどありません。彼女が通った学校や科学への貢献以外、人々は彼女についてあまり知らない。彼女の学業以外の個人情報は次のとおりです。彼女はカリフォルニアに住んでおり、夫との間に 2 人の息子がおり、ピアノを弾いたり、ハイキングや絵を描いたりするのが好きです。 [1] 1972年[注 2] 、劉振万はNASAのジェット推進研究所（JPL）に軌道力学の専門家として入社した。 JPL 在籍中、彼女の研究分野は軌道力学に限定されず、木星、航空宇宙コンピューティング、航空宇宙機器、人工衛星、航空電子工学、惑星大気、惑星磁気、惑星衛星、衛星航法、太陽風、宇宙船など、多岐にわたりました。 [2]

軌道力学に関わる仕事には天体力学や数学の優れた能力が必要であり、博士課程で専攻した高エネルギー原子核物理学とは明らかに大きく異なる。高エネルギー原子核物理学のバックグラウンドを持つ学者として、軌道力学で優れた成果を達成することは非常に稀です。

劉振万氏はJPLに入社後、ボイジャーなどの探査機の飛行軌道の設計に参加した。彼女を一つの戦いで伝説にしたのは、その後の水星探査軌道の設計における大きな進歩でした。

水星探査機の難問

水星は太陽系の8つの惑星の中で太陽に最も近い惑星です。しかし、宇宙時代において、水星は探査のニッチなターゲットとなった。 NASA が水星探査機の打ち上げ準備を本格的に開始したのは 1960 年代後半になってからでした。

1970年、イタリアのパドヴァ大学の科学者、数学者、エンジニアであるジュゼッペ・コロンボ（1920-1984）は、JPLでの会議に招待され、少し前に設計した軌道計画を発表しました。探査機は地球を離れた後、金星の重力を利用して速度を上げ、近日点を水星の近日点まで下げます。探査機は水星を通過した後、水星が太陽の周りを2周する間に太陽の周りを1周します。このようにして、探査機は水星を何度も通過し、水星のさまざまな特性を観測することができます。

JPLの専門家は計算を通じてこの軌道の実現可能性を検証した。 1973年11月3日、マリナー10号探査機が打ち上げられ、1974年2月5日に金星を通過し、その後1975年3月29日、9月21日、3月16日の3回にわたり水星を通過することに成功し、史上初の水星探査機となり、水星表面の40%～45%の画像を取得しました。

マリナー10のスペアパーツ。画像提供：スミソニアン協会

マリナー10号の成功に触発され、天文学者と軌道力学の専門家は、水星を周回できる探査機を打ち上げ、水星のさまざまな特性を継続的かつ詳細に観測する計画を1974年に開始しました。

しかし、探査機を水星の周回軌道に乗せるのは極めて困難です。これは、太陽の重力が近くにあると強すぎるためです。探査機が水星に近づくと、太陽の強い重力によって探査機は高速に加速されます。探査機を水星の周りを移動させるためには、高速探査機を時間的に減速させ、適切な方向を見つけて水星の軌道に投入し、水星の周りを周回する必要があります。

対照的に、水星を3回通過したマリナー10号は、最初の接近通過後に水星ではなく太陽を周回したため、強い重力によって引き起こされる高速探査機の減速の問題はそれほど深刻ではなかった。

さらに、水星自体の質量は太陽系の8つの惑星の中で最も小さく、地球の1/18、火星の半分しかありません。したがって、水星が探査機を捕獲する能力は低くなります。これにより、探査機を減速させて軌道に乗せることがさらに困難になります。

検出器の速度を遅くする方法は 2 つあります。最初の方法は、探査機を定期的に水星の大気圏に突入させ、水星の大気の抵抗を利用して継続的に速度を低下させることです。 2つ目の方法は、大量の推進剤を搭載し、推進剤に点火することで減速を実現する方法です。

水星の大気は非常に薄いので、最初の方法は機能しません。 2 番目の方法を使用すると、プローブが運ぶ必要のある推進剤の質量が大きくなりすぎ、プローブ自体の質量と体積も大きくなりすぎます。これを水星の近くに打ち上げるには、非常に大きな推力を持つ大型の打ち上げロケットが必要となり、費用がかかりすぎる。

こうして、水星探査機の打ち上げの夢は10年間棚上げされた。

水星への6回のフライバイ

1985 年、劉振万はさまざまな打ち上げ時間枠 (探査機の打ち上げに最適な期間) と軌道データを選択し、計算を使用して水星探査機の打ち上げの実現可能性を実証しました。劉振万は、探査機が飛行中に金星と水星を複数回通過し、探査機の操縦と姿勢制御を組み合わせると、比較的少ない燃料で探査機と水星の相対速度を下げ、水星の軌道に入ることが可能であることを発見した[3]。

必要な推進剤の質量が大幅に削減されるため、探査機は比較的安価なデルタ II ロケットを使用して打ち上げることができます。 [4] この計画は、「軌道に乗りながらコストを削減する」という従来のジレンマを解決した。

それ以来、米国、欧州、日本の航空宇宙専門家や天文学者がさまざまな具体的な計画を提案してきたが、さまざまな理由で却下された。最終的に、メッセンジャー[注3]は、当時のNASAの「より速く、より良く、より安く」という要件を満たしていたため、1999年7月にNASAのディスカバリー計画シリーズに選ばれました。

水星を探査するメッセンジャー探査機の想像図。画像提供: NASA

メッセンジャーが選ばれた後、劉振万は2001年に発表された論文でメッセンジャーのための8つの新しい軌道を設計した[5]。 7 回目の周回計画は、メッセンジャーが 2004 年 5 月 9 日に打ち上げられ、その後金星を 3 回通過し (VGA1、VGA2、VGA3)、最後に水星を 1 回通過し (MGA1)、2009 年 7 月 2 日に水星周回軌道に入るというものでした。

2001 年に劉振万が設計したマーキュリー・オービターの新しい軌道の 7 番目のオプション。外側から内側に向​​かって 3 つの点線の円は、それぞれ地球、金星、水星の軌道を表しています。日付は「月/日/年」で表記されます（以下同様）。画像出典：参考文献[5]

NASA はこの計画を採用しましたが、打ち上げ時期を数日延期し、2004 年 5 月 11 日から 12 日間の期間内に設定しました。しかし、探査機のさらなるテストを行うために、NASA は打ち上げ時期を 2004 年 7 月 30 日から 15 日間の期間に延期しました。

この目的のために、飛行軌道が再設計されました。新しい軌道では、メッセンジャーは2011年3月18日に軌道に入るまでに、地球を1回、金星を2回、水星を3回通過する必要がある。これは当初の予定到着時刻より2年遅い。この2年間の違いは、劉振万が設計したトラックの素晴らしさも表しています。

2004 年 8 月 3 日、MESSENGER はデルタ II ロケットで打ち上げられました。搭載されている推進剤を合わせると、探査機の総質量はわずか1,108キログラムだった。

メッセンジャー宇宙船はデルタ II ロケットで打ち上げられました。画像提供: NASA

それ以来、メッセンジャーは、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、および 2009 年 9 月 29 日に、地球、金星、金星、水星、水星を通過しました。これらの 6 回のフライバイに加えて、メッセンジャーは、ブースターを噴射して軌道修正を行う深宇宙操作 (DSM) を 5 回実行しました。

MESSENGER の軌道、6 回のフライバイ、および 5 回の深宇宙探査 (DSM) も示されています。 MOI は Mercury Orbit Insertion の略称です。画像提供: NASA

2011年3月18日、メッセンジャーは水星の軌道に入り、水星の最初の周回衛星および水星の最初の人工衛星となりました。水星には天然の衛星がないので、メッセンジャーは水星の最初の衛星でもあります。メッセンジャーは打ち上げから軌道投入まで6年7か月16日間飛行し、79億キロメートルの距離を飛行した。

時間はかかりますが、このような軌道では減速して軌道に入るのに使用される推進剤を大量に節約できます。劉振万氏の研究に基づき、人類はついに、比較的低コスト（4億5000万ドル以下）で水星探査機を打ち上げるという夢を実現した。数百億ドル、あるいは数千億ドルもかかる他の惑星探査機と比較すると、これは非常に安価であると言えるでしょう。

メッセンジャーは2011年4月4日から2015年4月30日まで観測ミッションを実施し、数多くの成果を達成しました。これにより人類の水星に対する理解は大きく深まり、現在でも人類による水星探査の最高レベルを誇っています。

2008 年 10 月 6 日の水星フライバイ中に、メッセンジャー宇宙船が水星表面から 27,000 キロメートルの高度から撮影した水星の画像の 1 枚。画像提供: NASA/ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所/アリゾナ州立大学/ワシントン・カーネギー研究所

エイプリル・マッデンは『All about Space』の中で、天文学者ポール・バーンの言葉を引用している。「1985年、ジェット推進研究所のイエン・リウ・ジェンワンは、水星を周回するために必要な軌道を解明しました。それ以前は、宇宙船を水星の周りを周回させる方法が全く分かりませんでした。」[6]

スターダスト軌道設計者

劉振万氏のもう一つの重要な任務は、スターダストのサンプル/プローブの軌道を設計することです。スターダストの主な目的は、彗星から直接物質を採取し、地球に持ち帰ることです。

彗星の物質を収集するスターダストの想像図。画像提供: NASA

1999 年 2 月 7 日、スターダストはデルタ II ロケットで打ち上げられました。打ち上げ時のスターダストの総質量は385kgで、そのうち約80kgが推進剤だった。

スターダストはデルタ II ロケットに乗って打ち上げられます。画像提供: NASA/JPL

下の写真は、Liu Zhenwan 氏が設計した Stardust 軌道の一部を簡略化した図です。写真の黄色い点は太陽です。最も小さい灰色の楕円は地球の軌道です。最も大きな灰色の楕円はヴィルト2彗星の軌道です。

劉振万氏が設計したスターダスト彗星サンプル採取探査機の軌道。画像クレジット: NASA - スターダスト打ち上げプレスキット

スターダストの軌道上の重要なノードは次のとおりです (上の図を参照)。

1. 1999 年 2 月 7 日に打ち上げられた (赤い四角で示され、図では誤って 6 番目としてマークされている)。 2. 2000年3月から5月にかけて赤色軌道を周回し、星間塵を収集。 3. 2001 年 1 月 15 日に地球を通過（青い四角で示され、その大部分は緑の四角で覆われている） 4. 2002 年 11 月 2 日に小惑星 5535 Anne Frank (図には示されていません) を通過。 5. 青い軌道に沿って周回し、2004年1月2日にウィルド2彗星（黄色の四角で示す）に遭遇し、彗星から物質を収集する。 6. 2002年7月から12月まで、青い軌道に沿って周回を続け、再び星間塵を収集。 7. 2006 年 1 月 15 日に地球に帰還し (緑の四角で表示)、探査機はサンプルリターンカプセルを地球の大気圏に投下して出発しました。

スターダスト探査機はサンプルリターンカプセルから分離した後も太陽の周りを周回し、2011年2月15日にテンペル第1彗星（9P/テンペル）を通過しました。スターダストは2011年まで運用が継続されたため、実際の軌道は上図（2006年まで）よりも複雑です。

このテンペル第1彗星の画像は、2011年2月14日にスターダストによって撮影されました。画像提供: NASA/JPL-Caltech/Cornell

2011年3月24日、スターダストは残りの燃料を使い果たし、通信を停止し、ミッションを無事完了しました。軌道を設計した劉振万のおかげで、最後には推進剤が余りました。

スターダストがミッションの最後に残りの燃料を燃やしている様子を描いた想像図。画像提供: NASA/JPL

彼女に感謝することを忘れないでください

劉振万氏はJPLに勤務した40年以上の間に、メッセンジャー探査機やスターダスト探査機の最適軌道を設計し、ボイジャー探査機の軌道設計に参加しただけでなく、土星系を探査したカッシーニ探査機、金星を探査したマゼラン探査機、木星系を探査したガリレオ探査機などの探査機の軌道設計にも参加しました。彼女はその才能を活かして、太陽系のさまざまな天体に対する人類の探査を推進しました。

太陽系の天体（8つの惑星、小惑星、彗星）の芸術的想像力。画像提供: NASA/JPL

スターダストの打ち上げ成功から2か月後の1999年4月、NASAは、当初「4606 PL」と番号が付けられていた小惑星を「9249 Yen」に改名すると発表した。 [1] これは、劉振万（ヤン・リウ・振万）のスターダスト軌道に関する研究と、過去30年間にわたるさまざまな宇宙船の軌道設計への独創的な貢献が認められたものです。

1999 年 4 月 9 日、NASA の JPL 公式 Web サイトで、「スターダスト彗星ミッションの設計者にちなんで小惑星に命名」というニュース記事が公開されました。画像出典：参考文献[1]のスクリーンショット

2018年10月20日、ジュゼッペ・コロンボにちなんで名付けられた新世代の水星探査機「ベピコロンボ」（コロンボの愛称はベピ）が打ち上げられました。メッセンジャーと同様に、コロンボは7年間で地球を1回、金星を2回、水星を6回通過し、2025年12月に水星に到着して水星を周回する予定で、人類史上3番目の水星探査機、2番目の水星周回機となる。

劉振湾 画像出典：参考文献 [2]

コロンボの軌道パターンはメッセンジャーの軌道パターンを忠実に再現しており、1985年に劉振万が提案した方式も採用しているため、アメリカの宇宙史家ドウェイン・デイ氏は「ベピコロンボが水星に到達したとき、人々がジュゼッペ・コロンボに感謝するだけでなく、劉振万にも少しは感謝の意を表してくれることを願っています。彼女は40年前に計算を行い、人々に水星の軌道について考えるきっかけを与えました」と述べた。 [注4]

注記

[注 1] チェンワン・リウ・イェンの英語名はChen-Wan Liu Yenであり、通常はChen-wan L. YenまたはCWL Yenと略称される。いくつかの資料ではLiuを省略し、Chen-Wan YenまたはCL Yenと書いています。文学では姓が名の前に置かれることが多いため、Yen、CLなど、対応するさまざまな表記法があります。

[注2] 参考文献[1]の「JPLに入社して27年目」と報告年（1999年）から推測。

[注3] MESSENGERはMercury Surface（水星表面）、Space Environment（宇宙環境）、Geochemistry（地球化学）、Ranging（測距）の略称です。

[注4] 原文は「水星に到達したとき、うまくいけば、ジュゼッペ・コロンボに加えて、40年前に水星周回軌道について人々に考えさせる計算を行ったチェンワン・イェンに、少しは感謝する人がいるだろう。」全文については参考文献[4]を参照。

参考文献

[1] https://www.jpl.nasa.gov/news/asteroid-named-for-stardust-comet-mission-designer

[2] https://ieeexplore.ieee.org/author/37088722238

[3] イェン、CL、「金星と水星の重力アシストによる弾道水星探査ミッション」、AAS/AIAA天体力学専門家会議、論文AAS85-346、コロラド州ベイル、1985年8月12日〜15日。

[4] https://www.thespacereview.com/article/4349/1

[5] イェン、CL、「弾道マーキュリーオービターミッションの新しい軌道オプション」、AAS/AIAA宇宙飛行力学会議、論文AAS 01-158、カリフォルニア州サンタバーバラ、2001年2月11日〜15日。

[6] エイプリル・マッデン『All About Space』中国語訳は『Into the Deep Universe』（中国画報出版社、2019年9月初版）で、翻訳は李世聡。引用文中の中国語は、中国語版書籍63ページの最初の段落から引用したもので、「jet」のみが「jet」に変更されている（中国科学技術出版社発行の『英中天文用語集』第1版2015年9月より）。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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