“航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)”實(shí)踐教學(xué)改革研究

張 進(jìn)，楊 震，羅亞中，梁彥剛

（國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

一、課程概述及面臨的教學(xué)難題

航空航天總體設(shè)計(jì)類課程主要講授衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等航空航天飛行器或飛行任務(wù)的總體、分系統(tǒng)技術(shù)及管理方面的主要內(nèi)容。典型課程如，“衛(wèi)星工程”“航天器總體設(shè)計(jì)”“導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)與分析”“飛機(jī)總體設(shè)計(jì)”“航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)”等。這類課程具有工程實(shí)踐性與綜合性強(qiáng)、涉及內(nèi)容廣泛、理論和實(shí)踐結(jié)合緊密等特點(diǎn)。在美國(guó)麻省理工學(xué)院、法國(guó)高等航空航天學(xué)院、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、英國(guó)格拉斯哥大學(xué)等著名國(guó)際航空航天院校以“Space Mission Analysis and Design”“Space Systems Engineering”等不同名稱開設(shè)課程，對(duì)航空航天人才的培養(yǎng)起到了重要作用。“航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)”作為一門典型的航空航天總體類課程，從大系統(tǒng)工程角度講授航天任務(wù)分析和總體設(shè)計(jì)，內(nèi)容涵蓋航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)過程、航天器平臺(tái)設(shè)計(jì)、軌道姿態(tài)設(shè)計(jì)、有效載荷確定和參數(shù)選擇、通信系統(tǒng)與鏈路設(shè)計(jì)、發(fā)射系統(tǒng)分析、地面系統(tǒng)、飛行任務(wù)運(yùn)營(yíng)、可靠性分析、成本估計(jì)等。該課程不局限于具體分系統(tǒng)或某一具體技術(shù)分支，可以幫助研究生從宏觀上相對(duì)全面地理解、分析、設(shè)計(jì)航天任務(wù)，建立局部技術(shù)分支與任務(wù)整體的有機(jī)聯(lián)系，開闊視野。

由于課程內(nèi)容面廣，每一項(xiàng)內(nèi)容都可單獨(dú)開設(shè)一門專業(yè)課程學(xué)習(xí)。以往，該課程主要面向博士生開設(shè)，并由經(jīng)驗(yàn)豐富的資深老教授進(jìn)行講授；教學(xué)改革后，課程需要面向尚未參與過或較少參與工程任務(wù)的研究生開設(shè)，教師隊(duì)伍也是老中青相結(jié)合。一方面，研究生學(xué)習(xí)時(shí)，因知識(shí)面不夠廣、經(jīng)驗(yàn)不夠豐富等原因，往往覺得學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象難懂、形式不夠生動(dòng)有趣、案例陳舊不能緊跟技術(shù)最新發(fā)展；動(dòng)手鍛煉少，課堂上跟不上老師的節(jié)奏；課后開展不了分析計(jì)算，學(xué)習(xí)淺嘗輒止，無(wú)法學(xué)以致用，對(duì)研究生后續(xù)具體研究航空航天問題幫助有限。另一方面，傳統(tǒng)的教學(xué)方法忽視了對(duì)研究生愛國(guó)主義情懷的培育、航天精神的塑造、工程倫理的教育，以及世界觀、人生觀、價(jià)值觀正確的引導(dǎo)。如何解決航天精神培育少、理論抽象而難以應(yīng)用、枯燥、興趣低等問題，實(shí)現(xiàn)航天精神的傳承，緊跟技術(shù)發(fā)展，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，理論與實(shí)踐結(jié)合，幫助研究生學(xué)以致用，是教學(xué)改革需要解決的關(guān)鍵問題。

二、教學(xué)改革總體思路

針對(duì)上述問題，建設(shè)基于課程思政新理念的案例體系、課內(nèi)競(jìng)賽與估算及商業(yè)軟件應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步培育研究生愛國(guó)奉獻(xiàn)精神，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高總體設(shè)計(jì)能力，教學(xué)改革總體思路如圖1所示。

圖1 教學(xué)改革思路

三、基于課程思政新理念的案例體系建設(shè)

案例主要以介紹近四十年的森林火災(zāi)衛(wèi)星為主。傳統(tǒng)的教學(xué)方法未適應(yīng)最新技術(shù)的發(fā)展需求，形式多以表格數(shù)據(jù)或流程講解，抽象難懂，難以吸引研究生，同時(shí)也忽視了愛國(guó)主義情懷的培育。基于課程思政新理念，針對(duì)該問題從以下四個(gè)方面進(jìn)行了案例體系建設(shè)。

1.引入現(xiàn)役航天器、著名運(yùn)載火箭、我國(guó)測(cè)控運(yùn)營(yíng)流程等的分析、設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)行分系統(tǒng)案例建設(shè)，加強(qiáng)研究生對(duì)最新進(jìn)展的了解，同時(shí)引導(dǎo)從大系統(tǒng)角度思考技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)。例如，在講授發(fā)射系統(tǒng)分析時(shí)，介紹國(guó)內(nèi)外主流運(yùn)載火箭的主要性能參數(shù)，重點(diǎn)以國(guó)內(nèi)長(zhǎng)征5號(hào)與美國(guó)獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭為案例，闡述不同的航天發(fā)展戰(zhàn)略；以海南發(fā)射場(chǎng)選址的案例串聯(lián)發(fā)射場(chǎng)運(yùn)作涉及的眾多要素，并幫助理解其重要意義。

2.以交會(huì)對(duì)接任務(wù)等為例，進(jìn)行綜合性案例建設(shè)，幫助研究生理解各分系統(tǒng)協(xié)同完成任務(wù)的分析與設(shè)計(jì)過程。從載人航天發(fā)展戰(zhàn)略及任務(wù)需求出發(fā)，闡述交會(huì)對(duì)接任務(wù)涉及發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、著陸場(chǎng)系統(tǒng)、飛船系統(tǒng)、目標(biāo)飛行器系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)、空間應(yīng)用系統(tǒng)等主要單元的基本設(shè)計(jì)；介紹工程論證、方案設(shè)計(jì)與研制、初樣設(shè)計(jì)與研制、正樣設(shè)計(jì)與研制、發(fā)射在軌測(cè)試與應(yīng)用等階段情況，幫助研究生建立從工程分系統(tǒng)（橫向），以及全生命周期（縱向）兩個(gè)維度進(jìn)行綜合分析與設(shè)計(jì)的思維；同時(shí)，通過分系統(tǒng)與總體關(guān)系的討論，引導(dǎo)學(xué)生思考馬克思主義哲學(xué)中整體與部分的辯證關(guān)系。

3.對(duì)教學(xué)中學(xué)生反饋無(wú)法深入學(xué)習(xí)的內(nèi)容，適當(dāng)補(bǔ)充背景知識(shí)，并給出課后閱讀文獻(xiàn)建議，開闊知識(shí)面。例如，講到成本分析時(shí)，補(bǔ)充針對(duì)不同時(shí)期、不同航天器造價(jià)及運(yùn)載火箭發(fā)射報(bào)價(jià)的公開資料進(jìn)行課后閱讀，幫助理解減重、火箭重復(fù)使用、基于交會(huì)對(duì)接的在軌服務(wù)等的重要性；在講到可靠性分析時(shí)，闡述我國(guó)航天領(lǐng)域“零缺陷、零疑點(diǎn)、零故障”的質(zhì)量文化。

4.結(jié)合航天歷史上的關(guān)鍵事件、名人故事，特別是關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān)克難過程中的先進(jìn)事跡，加深學(xué)生對(duì)關(guān)鍵問題的理解；同時(shí)，增加課堂的趣味性，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地培育愛國(guó)奉獻(xiàn)的情懷與不畏艱難、勇于創(chuàng)新的精神。例如，講到航天器總體設(shè)計(jì)時(shí)，引出“中國(guó)航天之父”錢學(xué)森放棄國(guó)外優(yōu)越條件、克服重重困難回到祖國(guó)，為創(chuàng)建和發(fā)展中國(guó)火箭導(dǎo)彈、航天事業(yè)作出杰出貢獻(xiàn)的事跡；通過分系統(tǒng)關(guān)系的討論，引出“神舟七號(hào)”任務(wù)中載人航天工程七大系統(tǒng)正副總工程師、總指揮中有十多人均畢業(yè)于國(guó)防科技大學(xué)的人才“森林效應(yīng)”，并進(jìn)一步闡述“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)”的載人航天精神。

四、實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)

課程改革前的教學(xué)方式主要以課堂講授知識(shí)為主，以考試為評(píng)價(jià)方式，研究生參與性較低，因理論知識(shí)抽象而較難做到學(xué)以致用。針對(duì)該問題，從以下四個(gè)方面進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)。

1.利用衛(wèi)星工具箱商業(yè)軟件基本用法的講授與練習(xí)，將基于商業(yè)軟件的航天任務(wù)分析設(shè)計(jì)與理論知識(shí)結(jié)合，鍛煉研究生在軌道任務(wù)、通信系統(tǒng)與測(cè)控鏈路等部分的實(shí)際計(jì)算分析能力。由于課程涉及知識(shí)面廣，不少內(nèi)容都可以單獨(dú)開設(shè)專業(yè)課進(jìn)行講授，如果要求研究生均深入理解與學(xué)習(xí)，一方面遠(yuǎn)超課時(shí)約束，另一方面容易陷入局部而忽略了整體，這就偏離了課程的定位與初衷。可快速上手的商業(yè)軟件，幫助研究生在理解淺、經(jīng)驗(yàn)少的情況上進(jìn)行快速實(shí)踐，將關(guān)注點(diǎn)保留在總體與分系統(tǒng)的關(guān)系、分系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)與分析因素等，有利于保持恰當(dāng)?shù)牧Χ扰c難度。

2.增加航天器質(zhì)量、功率、發(fā)射質(zhì)量、成本、可靠性等估算模型的講授與練習(xí)，鍛煉研究生在總體分析設(shè)計(jì)中的估算能力。設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單闡述、計(jì)算及編程實(shí)踐相結(jié)合的習(xí)題集，并配套給出解答與部分求解源碼，進(jìn)一步提高實(shí)用性。設(shè)計(jì)開發(fā)了配套的系列估算分析表格，幫助研究生動(dòng)手分析，加深理解，如表1所示。基于估算的實(shí)踐，可幫助研究生暫時(shí)忽略問題背后復(fù)雜的過程與細(xì)節(jié)，抓主要因素，忽略次要因素，在任務(wù)設(shè)計(jì)初期特別是對(duì)研究生這樣的初學(xué)者具有重要意義。

表1 總速度增量估算電子表格

3.設(shè)計(jì)課內(nèi)競(jìng)賽性綜合大作業(yè)，以及大作業(yè)研討環(huán)節(jié)，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，鍛煉研究生綜合運(yùn)用商業(yè)軟件、估算開展航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)的能力。每個(gè)教學(xué)進(jìn)度的大作業(yè)題目均不相同，如“區(qū)域增強(qiáng)的導(dǎo)航星座任務(wù)分析與設(shè)計(jì)”“GEO在軌服務(wù)任務(wù)方案分析與設(shè)計(jì)”“大型低軌衛(wèi)星星座任務(wù)方案分析與設(shè)計(jì)”等。設(shè)計(jì)的大作業(yè)往往貫穿航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，以及課程主要知識(shí)點(diǎn)，為了鍛煉學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的綜合運(yùn)用能力；同時(shí)，圖文并茂的課件匯報(bào)、針對(duì)性提問與有效回答等過程，鍛煉了研究生寫作、口頭表達(dá)與交流等多項(xiàng)能力。

4.增加實(shí)地教學(xué)環(huán)節(jié)，包括參觀實(shí)驗(yàn)室，體驗(yàn)航天器軌道原理、空間態(tài)勢(shì)分析、手動(dòng)交會(huì)對(duì)接、星座設(shè)計(jì)等的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)照航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)基本步驟，分析相應(yīng)航天任務(wù)的設(shè)計(jì)要素及思路。虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以三維可視化的直觀方式及豐富的圖表展示原本復(fù)雜的空間幾何關(guān)系與任務(wù)環(huán)節(jié)，并提供友好的人機(jī)交互界面與快捷的任務(wù)分析響應(yīng)，可幫助研究生進(jìn)一步鞏固課程知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也增加了課程的趣味性。

結(jié)語(yǔ)

“航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)”是航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)核心課程，涉及內(nèi)容廣，對(duì)研究生知識(shí)儲(chǔ)備及對(duì)實(shí)際航天工程任務(wù)的整體理解能力要求高。通過案例、事件、故事等來完善、豐富課程內(nèi)容，培育研究生愛國(guó)奉獻(xiàn)精神，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣；建立了基于估算與商業(yè)軟件的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助研究生加深知識(shí)理解，做到學(xué)以致用，進(jìn)一步提升了教學(xué)效果。研究探索形成的實(shí)踐教學(xué)新方法，可為航空航天總體設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)改革提供參考。