“航天任務分析與設計”實踐教學改革研究

張 進，楊 震，羅亞中，梁彥剛

（國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073）

一、課程概述及面臨的教學難題

航空航天總體設計類課程主要講授衛星、導彈、飛機等航空航天飛行器或飛行任務的總體、分系統技術及管理方面的主要內容。典型課程如，“衛星工程”“航天器總體設計”“導彈總體設計與分析”“飛機總體設計”“航天任務分析與設計”等。這類課程具有工程實踐性與綜合性強、涉及內容廣泛、理論和實踐結合緊密等特點。在美國麻省理工學院、法國高等航空航天學院、英國帝國理工學院、英國格拉斯哥大學等著名國際航空航天院校以“Space Mission Analysis and Design”“Space Systems Engineering”等不同名稱開設課程，對航空航天人才的培養起到了重要作用。“航天任務分析與設計”作為一門典型的航空航天總體類課程，從大系統工程角度講授航天任務分析和總體設計，內容涵蓋航天任務分析與設計過程、航天器平臺設計、軌道姿態設計、有效載荷確定和參數選擇、通信系統與鏈路設計、發射系統分析、地面系統、飛行任務運營、可靠性分析、成本估計等。該課程不局限于具體分系統或某一具體技術分支，可以幫助研究生從宏觀上相對全面地理解、分析、設計航天任務，建立局部技術分支與任務整體的有機聯系，開闊視野。

由于課程內容面廣，每一項內容都可單獨開設一門專業課程學習。以往，該課程主要面向博士生開設，并由經驗豐富的資深老教授進行講授；教學改革后，課程需要面向尚未參與過或較少參與工程任務的研究生開設，教師隊伍也是老中青相結合。一方面，研究生學習時，因知識面不夠廣、經驗不夠豐富等原因，往往覺得學習內容抽象難懂、形式不夠生動有趣、案例陳舊不能緊跟技術最新發展；動手鍛煉少，課堂上跟不上老師的節奏；課后開展不了分析計算，學習淺嘗輒止，無法學以致用，對研究生后續具體研究航空航天問題幫助有限。另一方面，傳統的教學方法忽視了對研究生愛國主義情懷的培育、航天精神的塑造、工程倫理的教育，以及世界觀、人生觀、價值觀正確的引導。如何解決航天精神培育少、理論抽象而難以應用、枯燥、興趣低等問題，實現航天精神的傳承，緊跟技術發展，激發學習興趣，理論與實踐結合，幫助研究生學以致用，是教學改革需要解決的關鍵問題。

二、教學改革總體思路

針對上述問題，建設基于課程思政新理念的案例體系、課內競賽與估算及商業軟件應用相結合的實踐教學環節，以進一步培育研究生愛國奉獻精神，激發主動學習的興趣，提高總體設計能力，教學改革總體思路如圖1所示。

圖1 教學改革思路

三、基于課程思政新理念的案例體系建設

案例主要以介紹近四十年的森林火災衛星為主。傳統的教學方法未適應最新技術的發展需求，形式多以表格數據或流程講解，抽象難懂，難以吸引研究生，同時也忽視了愛國主義情懷的培育。基于課程思政新理念，針對該問題從以下四個方面進行了案例體系建設。

1.引入現役航天器、著名運載火箭、我國測控運營流程等的分析、設計內容，進行分系統案例建設，加強研究生對最新進展的了解，同時引導從大系統角度思考技術發展的脈絡。例如，在講授發射系統分析時，介紹國內外主流運載火箭的主要性能參數，重點以國內長征5號與美國獵鷹9號運載火箭為案例，闡述不同的航天發展戰略；以海南發射場選址的案例串聯發射場運作涉及的眾多要素，并幫助理解其重要意義。

2.以交會對接任務等為例，進行綜合性案例建設，幫助研究生理解各分系統協同完成任務的分析與設計過程。從載人航天發展戰略及任務需求出發，闡述交會對接任務涉及發射場系統、火箭系統、測控系統、著陸場系統、飛船系統、目標飛行器系統、航天員系統、空間應用系統等主要單元的基本設計；介紹工程論證、方案設計與研制、初樣設計與研制、正樣設計與研制、發射在軌測試與應用等階段情況，幫助研究生建立從工程分系統（橫向），以及全生命周期（縱向）兩個維度進行綜合分析與設計的思維；同時，通過分系統與總體關系的討論，引導學生思考馬克思主義哲學中整體與部分的辯證關系。

3.對教學中學生反饋無法深入學習的內容，適當補充背景知識，并給出課后閱讀文獻建議，開闊知識面。例如，講到成本分析時，補充針對不同時期、不同航天器造價及運載火箭發射報價的公開資料進行課后閱讀，幫助理解減重、火箭重復使用、基于交會對接的在軌服務等的重要性；在講到可靠性分析時，闡述我國航天領域“零缺陷、零疑點、零故障”的質量文化。

4.結合航天歷史上的關鍵事件、名人故事，特別是關鍵技術攻堅克難過程中的先進事跡，加深學生對關鍵問題的理解；同時，增加課堂的趣味性，潤物細無聲地培育愛國奉獻的情懷與不畏艱難、勇于創新的精神。例如，講到航天器總體設計時，引出“中國航天之父”錢學森放棄國外優越條件、克服重重困難回到祖國，為創建和發展中國火箭導彈、航天事業作出杰出貢獻的事跡；通過分系統關系的討論，引出“神舟七號”任務中載人航天工程七大系統正副總工程師、總指揮中有十多人均畢業于國防科技大學的人才“森林效應”，并進一步闡述“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的載人航天精神。

四、實踐性教學環節建設

課程改革前的教學方式主要以課堂講授知識為主，以考試為評價方式，研究生參與性較低，因理論知識抽象而較難做到學以致用。針對該問題，從以下四個方面進行實踐性教學環節建設。

1.利用衛星工具箱商業軟件基本用法的講授與練習，將基于商業軟件的航天任務分析設計與理論知識結合，鍛煉研究生在軌道任務、通信系統與測控鏈路等部分的實際計算分析能力。由于課程涉及知識面廣，不少內容都可以單獨開設專業課進行講授，如果要求研究生均深入理解與學習，一方面遠超課時約束，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。可快速上手的商業軟件，幫助研究生在理解淺、經驗少的情況上進行快速實踐，將關注點保留在總體與分系統的關系、分系統主要設計與分析因素等，有利于保持恰當的力度與難度。

2.增加航天器質量、功率、發射質量、成本、可靠性等估算模型的講授與練習，鍛煉研究生在總體分析設計中的估算能力。設計了簡單闡述、計算及編程實踐相結合的習題集，并配套給出解答與部分求解源碼，進一步提高實用性。設計開發了配套的系列估算分析表格，幫助研究生動手分析，加深理解，如表1所示。基于估算的實踐，可幫助研究生暫時忽略問題背后復雜的過程與細節，抓主要因素，忽略次要因素，在任務設計初期特別是對研究生這樣的初學者具有重要意義。

表1 總速度增量估算電子表格

3.設計課內競賽性綜合大作業，以及大作業研討環節，激發主動學習興趣，鍛煉研究生綜合運用商業軟件、估算開展航天任務分析與設計的能力。每個教學進度的大作業題目均不相同，如“區域增強的導航星座任務分析與設計”“GEO在軌服務任務方案分析與設計”“大型低軌衛星星座任務方案分析與設計”等。設計的大作業往往貫穿航天任務分析與設計的主要環節，以及課程主要知識點，為了鍛煉學生對課程知識的綜合運用能力；同時，圖文并茂的課件匯報、針對性提問與有效回答等過程，鍛煉了研究生寫作、口頭表達與交流等多項能力。

4.增加實地教學環節，包括參觀實驗室，體驗航天器軌道原理、空間態勢分析、手動交會對接、星座設計等的虛擬實驗項目，并對照航天任務分析與設計基本步驟，分析相應航天任務的設計要素及思路。虛擬實驗項目以三維可視化的直觀方式及豐富的圖表展示原本復雜的空間幾何關系與任務環節，并提供友好的人機交互界面與快捷的任務分析響應，可幫助研究生進一步鞏固課程知識點，同時也增加了課程的趣味性。

結語

“航天任務分析與設計”是航空宇航科學與技術學科的專業核心課程，涉及內容廣，對研究生知識儲備及對實際航天工程任務的整體理解能力要求高。通過案例、事件、故事等來完善、豐富課程內容，培育研究生愛國奉獻精神，激發主動學習的興趣；建立了基于估算與商業軟件的實踐性教學環節，幫助研究生加深知識理解，做到學以致用，進一步提升了教學效果。研究探索形成的實踐教學新方法，可為航空航天總體設計類課程的教學改革提供參考。