面向“總師型”人才培養的航天飛行器設計課程創新建設

時圣波 龔春林 茍建軍 谷良賢 粟華 吳蔚楠

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“校企協同實踐教學體系與模式師資培訓”（220602608103420）

第一作者簡介：時圣波（1985-），男，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為飛行器總體及結構設計。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.013

摘? 要：航天飛行器設計是航空宇航科學與技術相關專業本科生的專業核心課程，以培養“總師型”后備人才基本能力和素養為教學目標。航天飛行器設計涉及要素多、概念多、學科耦合強，強調綜合性、系統性和創造性。該文討論航天飛行器設計課程的四個主要教學難點，結合西北工業大學辦學目標，詳盡地闡述課程創新建設思路。課程在知識體系、教學方法、教學資源方面持續改革，構建“國防戰略牽引-航天思政引入-工程案例分析-虛擬仿真強化”的創新教學模式，論述課程創新建設具體實施過程。通過多維度評價與反饋，課程創新建設效果良好，有力支撐總體專業骨干和總師后備人選培養。

關鍵詞：航天飛行器設計；“總師型”人才培養；系統工程思維；航天特色思政；全過程評價

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0050-04

Abstract： Space Vehicle Design is a core course for undergraduates majoring in aeronautical and astronautical science and technology. The aim of the course is to cultivate the basic ability and quality of "chief designer" candidate talents. Space Vehicle Design involves many elements， concepts， and coupling multi-disciplines. Comprehensiveness， systematism and creativity can be emphasized in this course. The four main teaching difficulties of this course are discussed. The ideas of innovation construction are carefully explained in combination with the educational goals of Northwestern Polytechnical University. The knowledge system， teaching methods and teaching resources are persistently improved. An innovative teaching model of 'motivation of national defense strategy - introduction of aerospace ideological and political education - analysis of engineering cases - strengthening of virtual simulation' is constructed. The specific implementation process of innovation construction of this course is described. The innovation construction of this course has a good effect through multi-dimensional evaluation and feedback， which could strongly support the cultivation of the space vehicle conceptual design talents and chief designer candidates.

Keywords： Space Vehicle Design; cultivation of 'chief designer' talents; system engineering thinking; aerospace ideological and political education; whole process evaluation

發展航天、探索宇宙承載著人類幾千年不懈的追逐，航天飛行器寄托著人類拓展時空運用的希望。航天技術代表高精尖技術的關鍵前沿，是衡量一個國家科學技術先進性和綜合實力的重要標志。自20世紀50年代始，中國航天事業飛速發展，航天任務一直擔當中國高新技術的排頭兵，取得了一系列卓越成就，創造了多項行業輝煌和技術突破，帶動了力學、材料學、自動控制理論、電子技術、計算機技術、推進技術和先進制造等學科的相互交叉和融合發展。“十四五”以來，在載人登月、火星探測、新一代載人飛船等國家發展戰略牽引下，航天飛行器設計技術面臨新的機遇和挑戰。

航天飛行器包括有效載荷分系統、結構分系統、電源分系統、姿態控制分系統、軌道控制分系統、測控與通信分系統、熱控制分系統、數據管理分系統、環境控制與生命保障分系統等，其系統組成復雜、任務多樣化、可靠性要求高。航天飛行器設計主要講述導彈、運載火箭、航天器“從無到有”的設計過程以及總體設計過程中采用的理念和方法，是飛行動力學、空氣動力學、結構力學、控制理論和發動機設計等相關專業課和基礎課的綜合應用，同時又有其內在的邏輯、規律和方法，是解決飛行器總體設計問題的一門多學科交叉融合的系統工程性學科[1-3]。航天飛行器設計需要根據任務需求，構造總體及各分系統的可行性方案，涉及要素多、概念多、學科耦合強，面臨很強的創造性和挑戰性[4-5]。

航天飛行器設計是一項綜合性強、創造性強的技術工作，設計結果依賴于設計師的經驗和對全壽命周期約束條件的掌握程度，設計原則無法做到嚴謹性和唯一性。有必要構建多種模式的工程案例庫、教學實訓軟件等實踐工具，提高學生對知識點之間關聯關系、數據傳遞與綜合權衡的運用能力[6-8]。還有，在課程思政建設指導思想下，有必要深入挖掘航天特色思政，有機融入到課程理論教學中，形成協同效應，服務立德樹人根本任務[9-11]。本文以西北工業大學航天飛行器設計課程多年來的建設過程為例，開展了面向“總師型”人才培養的總體設計課程創新建設探索與實踐研究。

一? 航天飛行器設計課程創新建設的必要性

西北工業大學以培養具有家國情懷、追求卓越、引領未來的“總師型”領軍人才為辦學目標，西北工業大學航天學院是航空宇航科學與技術國家一流學科建設的主體學院，航天飛行器設計課程是航天學院人才培養體系的核心環節。自20世紀60年代以來，教學團隊歷經三代傳承，始終緊跟國家國防重大需求，踐行立德樹人、科研育人的教學理念。1960至1980年，引入蘇聯導彈設計教學內容，形成了以防空導彈為原型的導彈總體設計教學內容體系。1980至2004年，增加巡航導彈設計內容，形成了有翼導彈總體設計教學內容體系。2004年起，課程持續融入國內外先進導彈、系統工程理論和先進設計方法等內容，完善了實踐教學體系，建設了課程網絡教材和網站，入選教育部2006年度“國家精品課程”建設，建設期5年。2016年起，響應本科專業大類建設需求，貫通運載火箭、航天器等空間飛行器設計內容，形成航天飛行器設計完整課程體系。

航天飛行器設計課程存在的主要教學難點如下：①課程與相關先修基礎課程之間的關聯關系需要強調與提煉，總體設計課程是對飛行力學、空氣動力學、飛行器結構力學、自動控制原理和發動機設計基礎等專業基礎課程的綜合應用，如何明確與基礎課程之間的有機關聯，總結出總體設計課程的學科規律和邏輯是難點之一。②飛行器是包含多個分系統、多個功能元器件的復雜系統，總體設計課程涉及概念較多，如何生動、形象地闡述各概念的內涵與外延，構建各技術指標與總體性能之間的權重關系，是難點之二。③航天飛行器總體設計，需要根據目標任務和戰術技術要求，構建各分系統的主要技術途徑和方案構想，如何將設計原則和設計思想理論化、邏輯化，并提出創新和拓展接口，是難點之三。④如何構建教師可實施、學生可實踐的教學環節[12]，提高學生的主動性，減輕學生的畏難情緒，是難點之四。

二? 航天飛行器設計課程創新建設思路

航天飛行器設計課程是西北工業大學極具“三航”特色的飛行器總體設計類課程，課程團隊始終遵循以學生為中心、以目標為導向、以科研成果為案例的教育教學理念，堅持“不忘初心、牢記使命、公誠勇毅、三實一新”的思想主線。多年來持續整合教學內容，融合多種教學模式，積極融入航天特色思政元素，通過“工程案例庫”+“航天總師大師課”+“航天特色思政”等模塊的創新設計，提高學生對總體設計理論的理解和實踐能力，培養學生嚴謹的學習態度和崇高的航天報國情懷，實現航空航天工程領域總體設計師的育人目標。主要建設思路如下。

（一）? 立體重構整合教學內容，形成多維度知識結構體系

構建戰術技術指標論證-總體方案構想-分系統方案設計-性能分析的模塊化知識體系，梳理航天飛行器任務的分解-綜合-再分解-再綜合的設計過程。從設計原理和方法上，各類航天飛行器有相似之處。比如，導彈和運載火箭，從宏觀上講，都是將有效載荷運輸到目標附近，導彈是將戰斗部運送到目標附近，運載火箭是將航天器運輸到目標軌道上。因此，兩者在級數選擇、燃料分配、分系統選型等設計方法上有相似之處。但是，為了躲避攔截，導彈需要大機動、良好的突防能力和隱身性能，這些任務需求是和運載火箭的不同之處。本課程立體重構了導彈、運載火箭、航天器三類對象的教學內容，詳細闡述了導彈的總體設計內容，構建了模塊化知識體系。在運載火箭、航天器部分，重點講解兩類對象的任務分析以及與導彈設計思想、設計方法的差異。

（二）? 構建多種形式的工程案例庫和實訓內容，提升知識運用和創新能力

踐行科研促教學、科研成果反哺教學的理念，教學團隊長期圍繞國防重大需求，開展飛行器總體方案設計、多學科優化方面的科研工作，取得了一系列研究成果?；谧钚卵芯砍晒?，持續更新課程教學內容，構建了知識點級、分系統級、總體方案級等多層級、多樣式工程案例庫，提升學生對設計理論的理解程度和實踐創新能力。例如，在導彈主要參數設計環節，針對導彈質量、發動機推力、彈翼參考面積三個主要參數，分別設置了三個工程案例，根據戰術技術要求，利用相關理論和微分方程，定量地確定導彈的三個主要參數。另外，在導彈綜合性能評價環節，設置了總體方案設計案例，綜合運用各分系統設計原則，串聯各知識點，給出導彈的彈道、氣動、結構、動力、制導和控制等各分系統總體方案。

（三）? 開展航天總師大師課，提高總體設計理論的工程實踐能力

航天飛行器設計是工程性、實踐性較強的學科，工業部門設計師從飛行器研制具體實施角度，重新解讀總體設計原理和方法，對課程教學內容深化大有裨益。在課程關鍵環節，邀請了航天科技集團一院、航天科技集團八院、航天科工集團三院和中國兵器工業203研究所等相關國防工業研究所總師，以線下、線上相結合的方式，開展相關設計內容的課堂教學，提高學生對航天飛行器總體設計過程中諸多指標之間相互影響、相互矛盾的認識能力，提升對總體設計過程中“綜合”與“權衡”設計思想的理解能力。例如，在導彈速度指標設計時，從突防與生存的角度，速度越大越好，速度越大意味著導彈的氣動阻力越大，另外，速度增加還會導致氣動熱急劇增加。因此，速度設計時，需要折中考慮突防能力、氣動阻力、氣動熱等性能，給出導彈速度的可行設計域?？値焸儚墓こ虒嶋H出發，呈現了豐富、生動的工程案例教學。

（四）? 融入航天特色思政教育內容，培育總師育人文化

培養具有家國情懷、追求卓越、引領未來的“總師型”領軍人才是航天飛行器設計課程的教學目標，在總體設計理論講授時，有機融入航天特色思政元素，引導和培育“總師”育人文化。中國航天事業發展60余年，創造了一系列輝煌成就，可以挖掘出許多有特色、生動、深刻的思政元素。課程以西北工業大學航天學院牽頭研制的某型大機動靶標飛行器成功試飛為切入點，培養學生敢于立大志、明大德、成大才、擔大任的人生觀和價值觀。以“南海爭端”“俄烏戰爭”等時事熱點為切入點，培養學生的愛國熱情和航天報國的情懷。以中國航天事業和航天教育的奠基人、西北工業大學航天學院開拓者陳士櫓院士先進事跡為切入點，培養學生“擇一事、終一生”的執著信念和科學家精神。以中國航天之父錢學森先生赤膽忠誠的愛國情懷和嚴謹求實的科學精神為切入點，闡述愛國與傳承的內涵，培養學生敢為人先、開拓創新的中國航天精神。

三? 航天飛行器設計課程創新建設實施過程

基于上述建設思路，針對教學難點和問題，本課程在知識體系、教學方法、教學資源方面持續改革，構建了“國防戰略牽引-航天思政引入-工程案例分析-虛擬仿真強化”的教學模式（圖1），有效地解決了總體設計課程與基礎先修課程的關聯關系、具體指標與總體性能的權重關系、設計理論邏輯化和實踐化等課程難點。

（一）? 確定知識目標-能力目標-素養目標的課程教學目標

掌握系統工程方法論、理解航天飛行器基本原理和總體設計方法、領會具體指標與總體性能的關聯關系，是課程的知識目標；具備運用系統工程思想和多學科設計方法，開展飛行器任務分析、總體方案選型、分系統主要參數設計和系統綜合性能評估，是課程的能力目標；培養解決工程問題的系統性思維、形成辯證的研究思維和嚴謹的科研素養、傳承“擇一事而終一生”的航天報國精神，實現航天飛行器“總師型”育人目標，是課程的素養目標。

（二）? 構建需求論證-總體構想-方案設計-性能評估-實踐賦能的多維度知識體系

科學權衡航天飛行器設計涉及的導彈、運載火箭、衛星三個研究對象的廣度和深度，梳理出飛行器總體設計的共性原理和方法，以導彈為主要對象。從需求分析與戰技指標論證為切入點，提出總體方案構想和主要技術途徑，在主要設計參數過渡下，開展分系統方案選型和其他細節參數設計，以命中概率為評價指標，綜合評估設計合理性，設置多種模式的實訓和實踐環節，強化對知識體系的掌握和理解。按照此思路，采用案例組織知識點，將龐雜的設計知識體系結構化，將抽象的設計方法和原理具象化，從而構建課程的多維度知識體系。

（三）? 建設配套教材-課程視頻-實訓案例-教學軟件多模式高質量教學資源

緊跟飛行器發展前沿和人才培養需求變化，遴選各類飛行器設計共性和代表性設計理論、方法和內容體系，先后編制了《有翼導彈總體設計》（1980）、《導彈總體設計原理》（2004）、《航天飛行器設計》（2016）、《現代導彈總體設計原理》（2023）4部教材。編制的教材獲得了“十五”“十二五”“十四五”工業和信息化部規劃教材，同時作為國內多所高校飛行器設計相關專業本科生的教材以及從事飛行器總體設計工作的科研人員的參考用書，受到高度好評。依托國家精品課程建設項目，課程還建設了課程網站、電子教案、課程視頻和教學視頻等多種電子資源。引入最新科研成果，將教學團隊科研實踐中開發的飛行器總體設計軟件精簡形成教學版軟件，學生利用教學版軟件可開展綜合性實踐和訓練環節。

（四）? 形成工程問題引導-實訓案例講授-師生互動分析-課堂測試強化-虛擬仿真提升的創新教學方法

由導彈引出飛行器總體設計理論的共性內容，按照現代飛行器系統工程組織章節和知識結構，遴選若干工程問題引導出課程核心內容，采用實訓案例組織知識點，將抽象的設計理論和原則具象化，進行重點講授。對部分教學環節，采用教師引出，由學生小組討論、分析講授，教師點評、總結的模式。設置重點知識點課堂測試，設計綜合知識大作業，強化知識訓練能力。利用教學版總體設計軟件，開展綜合性實訓，提升知識綜合和創新能力。

（五）? 塑造綜合能力導向的知識理解-實訓考查-綜合答辯全過程評價方式

采用基礎知識熟記理解、設計理論拓展應用、設計方法創新提升的閉卷考試，考查學生的知識掌握程度及綜合分析能力。采用課程實訓作業，考核學生利用設計理論解決工程問題的應用能力和計算分析能力。采用綜合項目論文答辯的形式，引導學生進行飛行器總體設計綜合實踐和創新提升能力?；诙喾N考核方式，形成以塑造學生綜合能力為導向的航天飛行器設計全過程評價模式。

四? 航天飛行器設計課程創新建設效果評價與反思

（一）? 增強了課堂活力，激發了專業興趣

通過航天飛行器發展史和“航天故事”熏陶，激發了學生“航天報國”的熱情和對飛行器設計相關專業的學習興趣。通過引入國內外飛行器研發案例以及設置小組討論、生講師評等環節，增強了課堂活力，學生課堂抬頭率和參與度顯著提升。

（二）? 培養了總體設計理論素養，塑造了系統工程思維

課程系統地講授了航天飛行器從無到有的研發過程以及總體設計的理論和方法，學生反映通過課程學習，真正掌握了系統工程設計思想和多學科設計方法，理解了飛行器總體設計與相關專業基礎課程之間的有機關聯，積累了扎實的總體設計理論素養。

（三）? 培育了“總師型”育人文化，縮短了總體設計人才培養周期

通過多維度知識體系學習和多模式教學方法實踐，學生掌握了由工程問題引導、實訓案例剖析、師生互動理解以及實訓作業強化等環節貫穿的飛行器總體設計、系統綜合性能分析的研發過程，形成了飛行器總體設計基本能力，培育了未來“總師型”人才奮斗目標。工業部門普遍反映縮短了人才培育周期，大批學生迅速成長為總體專業骨干和總師后備人選。

五? 結束語

航天飛行器總體設計是一項綜合性強、技術性高、創新性突出的技術工作。隨著近年來航天飛行器的快速迭代和發展，需要傳遞符合現代和未來飛行器發展的設計理念和設計方法。課程擬邀請國內工業部門總設計師和相關高校專家，召開多種形式的專題研討會，進一步探討當前國內外航天飛行器發展新趨勢和總體設計理論新動態。根據研判，更新課程主要知識點及其新內涵，豐富知識點支撐案例，構建適應現代航天飛行器新技術特征的理論體系和教學方法。

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