《航天器空間環境效應與防護技術》課程建設及教學思考

呂金鵬 方美華 全榮輝 王志強

【摘 要】隨著我國綜合國力的全面提升和快速發展，航天事業獲得了井噴式發展，取得了一系列舉世矚目的輝煌成就。當前全球航天科技活動范圍已逐漸從近地空間轉向太陽系進軍，空間極端苛刻環境對航天員及航天器的影響日趨凸顯，航天器空間環境防護工作已成為航天設計的首要任務。因此，在航天專業的教學任務中，亟需培養具有航天器總體設計能力和全局視野的綜合性人才。將航天器空間環境效應相關理論課程與航天器防護設計研究前沿工作有機貫穿起來，在教授理論知識的同時，適時引入當前國內外在航天器環境效應防護設計領域的最新研究動態以及研究難題，激發學生學習興趣和研究熱情。通過學習極端空間環境對航天器的損傷行為、機理，掌握科學的防護設計能力，培養學生的顛覆性創新精神。

【關鍵詞】航天器空間環境效應防護技術；學科拓展課；課程設計；教學思考

中圖分類號： V524 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0138-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.060

根據國家航天局公開的報道，未來二十年將是我國航天科技活動井噴式發展的時代。我國將陸續完成“長征”系列新一代大推力運載火箭的研制任務、具有航天員長期活動的“天宮”空間站的發射組建工作、2029年實現載人登月，2030年實現發射采樣返回的火星機器人以及小行星探測等任務。隨著我國航天科技事業的蓬勃發展，對航天專業的高科技青年人才的需求也日益增長。航天類高等院校承擔著為國家航天科技培養專門人才的重要歷史使命，迫切需要做到與時俱進，將航天科技專業基礎知識與日新月異的前沿技術有機貫通起來，培養具有扎實專業基礎和開拓性視野的創新型人才，為使我國早日邁入世界航天強國奠定雄厚的智力基礎。1-3

《航天器空間環境效應與防護技術課程》是航天類相關專業重要的專業基礎課程，該課程主要介紹航天器在空間飛行期間所經歷的高真空、冷黑、輻射、微重力，微流星、等離子體等苛刻空間環境及這些環境因素對航天器在軌運行的影響效應，課堂教學中具有很強的理論性。而飛行器設計、人機與環境工程等航天專業的本科生、研究生在課題學習和研究中主要著重于針對這些環境效應的地面模擬試驗方法和理論防護設計。這就造成當前專業基礎理論與實際研究工作的脫節，不能有效激發學生的學習與研究興趣，致使學生在課題研究中不能將理論與實際具體工作有機的融會貫通。有效解決這一理論與實際工作脫節的問題對于優化學生的知識結構、視野和激發學生的研究興趣及創新精神將大有益處。

1 《航天器空間環境效應與防護設計》課程簡介

航天器在研制、發射、入軌、返回過程中要先后經歷地面環境、發射環境、軌道（空間）環境、返回環境等四個階段，其中空間環境對航天器的影響最為重要。人類航天活動積累的經驗證明，70%的航天器故障是由空間極端環境造成的。由于航天器研制、發射周期較長、耗資巨大，一旦出現故障，很難進行維護且維修成本高昂。不僅造成經濟上的巨大損失，在政治、軍事和國防安全方面也將產生巨大負面影響。隨著航天飛機、載人空間站及深空探測器等新型航天技術的快速發展，航天器朝著多功能、長壽命、大尺和智能化方向發展，這些發展趨勢對航天器空間環境防護設計提出了更加嚴格的要求。4-5

《航天器空間環境效應與防護設計》課程主要包括航天器空間環境效應、航天器空間環境試驗技術以及航天器智能防護設計等三部分內容，分別介紹空間環境及其對航天器服役性能的影響、空間環境下材料效應的研究方法和試驗技術、以及應對環境效應的智能材料與結構的防護設計等內容。這三部分的學習是一個循序漸進的過程。教學方式以多媒體PPT課件為主，輔以少量仿真動畫及視頻。通過讓學生了解航天器在軌運行時所經歷的極端苛刻環境以及這些環境因素對航天器和航天活動的影響，熟悉在地面分別模擬相應單一環境效應和綜合環境協同效應的試驗技術和方法，理解空間冷黑、高真空、冷熱交替循環、粒子輻射、原子氧侵蝕、微重力，微流星、等離子體輻照等極端空間環境下航天器的失效行為、失效機理，應對各種苛刻環境的防護設計原理、策略及發展趨勢，培養學生在航天器設計時進行科學的結構設計和合理選材的能力。

2 當前存在的問題

國內外與《航天器空間環境效應與防護技術》相接近的課程主要有：《空間物理學》，《空間環境工程學》和《飛行器總體設計》。像《空間物理學》和《空間環境工程學》這類課程通常為理論教學，缺少實踐環節。而像《飛行器總體設計》這類課程在教學內容的安排上以講授航天器軌道理論及其各分系統設計為核心，缺少針對環境效應的防護設計內容。此外，盡管當前航天器空間環境效應的防護設計已成為航天領域的重要研究前沿，國內相關課程建設仍然極為缺乏。像哈工大、北航、西工大以及南航等航空航天強校均開設有人機與環境工程/飛行器設計等專業，教學內容多以空間環境介紹等理論教學為主，缺少系統的航天器空間環境效應防護設計的授課內容。

在學生方面，學習內容多為宇宙起源、空間天文學、磁層/等離子體動力學、中高層大氣動力學等空間物理方面的“高大上”的理論知識為主，知識體系抽象，公式推導繁瑣、內容較為晦澀，很難激發學生的學習與研究興趣。

在教材方面，作為專業基礎課程，《航天器空間環境效應與防護技術》目前國內還沒有統一教材。多數航空航天類高校偏重于空間物理環境方面的教學，對航天器空間環境防護設計方面的教學內容多局限于某一或某幾個特殊環境方面，并且呈孤立的講義式課件。例如國內哈工大、北航等高校開設了《高超音速飛行器設計》課程，其中針對性的介紹了高超音速飛行器在大氣層飛行時面臨的氣動加熱環境防護方法，而西安電子科技大學針對返回式航天器面臨的高溫等離子體黑障區通信問題開設了相應課程。

從教學方法上來說，國內的相近課程大多采用傳統的理論教學模式，以理論傳授為主，老師講，學生聽，不能將教師從事的具體研究工作與理論教學內容統一起來，導致學生積極性不足。教師在教學活動中難以有效引起學生學習興趣。

綜上所述，目前《航天器空間環境效應與防護技術》課程存在較為嚴重的缺乏，當前課程體系及教學效果亟待完善提高。為提高我國航天類專業學生的基礎知識和創新意識，迫切需要建設和完善能激發學生研學合一的課程。

3 采取的措施

首先廣泛查閱、借鑒美歐俄等航天強國相關院校航天專業的課程培養體系情況，結合國內實際專業培養方案，整理、歸納航天器空間環境效應與防護技術的主干內容與典型案例，建設完整的《航天器空間環境效應與防護技術》教材。在課程教學中應采用理論聯系實際和教育學、心理學等學科相結合等方法開展研究。緊密結合專業理論課程和學生的課程知識體系的實際情況，梳理教學內容，建設教學課件和仿真實例，探索教學方法改革，建立師生互動平臺。

3.1 梳理教學內容，建設教學課件和仿真實例

深入查閱調研分析國外航天高校相關專業的培養方案及課程教學體系，如美國麻省理工學院、俄羅斯莫斯科國立航空學院、英國帝國理工學院、法國國家高等航天航空學院、烏克蘭哈爾科夫國立航空航天大學等航天強校。詳細分析總結高校航天工程和人機與環境工程等專業學生知識體系背景、教師承擔的主要科研課題情況，確定適用的課程培養目標以及與其它相關課程關系，從而確定課程具體目標、教學內容與結構。

3.2 搜集、整理、跟蹤當前國際航天器空間環境效應防護領域的研究動態，有機引入課程體系

在充分搜集整理當前防護研究工作前沿和研究動態的基礎上，將具體研究進展分門別類的與理論部分相銜接，并給出當前仍亟待解決的研究難點、熱點，激勵學生思考式學習。例如針對機遇號和勇氣號火星車在火星探測任務中出現的沙塵暴污染覆蓋太陽能電池板，造成火星車能源中斷的案例進行分析，并類推至月球探測中也有沙塵暴現象，引導學生積極思考太陽能電池板、敏感光學表面、航天員塵埃防護措施。在微流星與空間碎片環境效應中，舉例說明當前太空垃圾已高達3000噸并且隨著人類頻繁的航天活動，碎片效應日益嚴重，急需解決空間碎片問題，激發學生積極思考解決方案。

3.3 改革完善課程教學方法

研究課程的教學理論，恰當的教學方法和教學手段，力爭在教學中做因材施教。進行教學方法改革的探索，借鑒互動式教學和研究型教學等方法，增加交互式、啟發式教學環節。注重科學性與技術性的統一，嚴謹性與趣味性的統一，廣度和深度的統一。建立郵箱、QQ群、微信群等師生互動平臺、鼓勵學生勤于思考，敢于創新，并及時給出指導意見。

3.4 科研實踐

科研實踐活動是激勵激發學生學習和研究興趣的高效手段。依據院系相關教師承擔科研課題及與航天型號任務研制單位合作情況，盡可能安排實驗課時和實踐實習機會，讓學生身臨其境，參與到具體科研任務中，達到學以致用的效果。在國內航天型號研制任務單位中，航天科技集團下屬的北京衛星環境工程研究所及上海衛星工程研究所等單位承擔著我國主要的航天器空間環境防護設計任務。教師應積極聯系溝通，并讓學生及時關注這些前沿單位的科研任務，創造條件讓學生切實切身感受到科研任務。此外，建議學校設立科創項目，鼓勵支持學生從事航天科研創新活動。

4 結束語

《航天器空間環境效應與防護技術課程》作為航天工程及飛行器設計等專業的重要專業基礎課程，既具有教學內容理論抽象又有緊迫的航天科研需求背景等特點。在具體教學活動中，應博采眾長，吸取國外航天院校的培養模式的精華，并因地制宜的結合國內培養方案及航天任務需求，做到理論授課與科研實際相結合，激發激勵學生學習和科研興趣。并注重教學方法的探索和革新，與時俱進，達到學以致用的目的，從而為我國航天科技事業培養兼具扎實專業基礎和顛覆性視野的創新型航天人才。

【參考文獻】

[1]趙良玉，唐勝景，王偉，等.航空航天類專業本科教學實驗室建設與思考[J].實驗科學與技術，2014，12（6）：187-190

[2]李九天，唐國金.關于提高課程教學對工程碩士論文研究支撐作用的思考——以國防科學技術大學航天與材料工程學院航天工程領域的培養為例[C]//湖南學位與研究生教育學會2005年學術年會.2005.

[3]田正雨，李樺.麻省理工學院航空航天類本科生課程體系分析.高等教育研究學報，2010，33（1）；58-61.

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[5]王偉，林德福，張訓文.航空航天專業實驗教學體系探索[J].中國現代教育裝備，2014（23）：82-84.