《航天器空间环境效应与防护技术》课程建设及教学思考

吕金鹏 方美华 全荣辉 王志强

【摘 要】随着我国综合国力的全面提升和快速发展，航天事业获得了井喷式发展，取得了一系列举世瞩目的辉煌成就。当前全球航天科技活动范围已逐渐从近地空间转向太阳系进军，空间极端苛刻环境对航天员及航天器的影响日趋凸显，航天器空间环境防护工作已成为航天设计的首要任务。因此，在航天专业的教学任务中，亟需培养具有航天器总体设计能力和全局视野的综合性人才。将航天器空间环境效应相关理论课程与航天器防护设计研究前沿工作有机贯穿起来，在教授理论知识的同时，适时引入当前国内外在航天器环境效应防护设计领域的最新研究动态以及研究难题，激发学生学习兴趣和研究热情。通过学习极端空间环境对航天器的损伤行为、机理，掌握科学的防护设计能力，培养学生的颠覆性创新精神。

【关键词】航天器空间环境效应防护技术；学科拓展课；课程设计；教学思考

中图分类号： V524 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0138-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.060

根据国家航天局公开的报道，未来二十年将是我国航天科技活动井喷式发展的时代。我国将陆续完成“长征”系列新一代大推力运载火箭的研制任务、具有航天员长期活动的“天宫”空间站的发射组建工作、2029年实现载人登月，2030年实现发射采样返回的火星机器人以及小行星探测等任务。随着我国航天科技事业的蓬勃发展，对航天专业的高科技青年人才的需求也日益增长。航天类高等院校承担着为国家航天科技培养专门人才的重要历史使命，迫切需要做到与时俱进，将航天科技专业基础知识与日新月异的前沿技术有机贯通起来，培养具有扎实专业基础和开拓性视野的创新型人才，为使我国早日迈入世界航天强国奠定雄厚的智力基础。1-3

《航天器空间环境效应与防护技术课程》是航天类相关专业重要的专业基础课程，该课程主要介绍航天器在空间飞行期间所经历的高真空、冷黑、辐射、微重力，微流星、等离子体等苛刻空间环境及这些环境因素对航天器在轨运行的影响效应，课堂教学中具有很强的理论性。而飞行器设计、人机与环境工程等航天专业的本科生、研究生在课题学习和研究中主要着重于针对这些环境效应的地面模拟试验方法和理论防护设计。这就造成当前专业基础理论与实际研究工作的脱节，不能有效激发学生的学习与研究兴趣，致使学生在课题研究中不能将理论与实际具体工作有机的融会贯通。有效解决这一理论与实际工作脱节的问题对于优化学生的知识结构、视野和激发学生的研究兴趣及创新精神将大有益处。

1 《航天器空间环境效应与防护设计》课程简介

航天器在研制、发射、入轨、返回过程中要先后经历地面环境、发射环境、轨道（空间）环境、返回环境等四个阶段，其中空间环境对航天器的影响最为重要。人类航天活动积累的经验证明，70%的航天器故障是由空间极端环境造成的。由于航天器研制、发射周期较长、耗资巨大，一旦出现故障，很难进行维护且维修成本高昂。不仅造成经济上的巨大损失，在政治、军事和国防安全方面也将产生巨大负面影响。随着航天飞机、载人空间站及深空探测器等新型航天技术的快速发展，航天器朝着多功能、长寿命、大尺和智能化方向发展，这些发展趋势对航天器空间环境防护设计提出了更加严格的要求。4-5

《航天器空间环境效应与防护设计》课程主要包括航天器空间环境效应、航天器空间环境试验技术以及航天器智能防护设计等三部分内容，分别介绍空间环境及其对航天器服役性能的影响、空间环境下材料效应的研究方法和试验技术、以及应对环境效应的智能材料与结构的防护设计等内容。这三部分的学习是一个循序渐进的过程。教学方式以多媒体PPT课件为主，辅以少量仿真动画及视频。通过让学生了解航天器在轨运行时所经历的极端苛刻环境以及这些环境因素对航天器和航天活动的影响，熟悉在地面分别模拟相应单一环境效应和综合环境协同效应的试验技术和方法，理解空间冷黑、高真空、冷热交替循环、粒子辐射、原子氧侵蚀、微重力，微流星、等离子体辐照等极端空间环境下航天器的失效行为、失效机理，应对各种苛刻环境的防护设计原理、策略及发展趋势，培养学生在航天器设计时进行科学的结构设计和合理选材的能力。

2 当前存在的问题

国内外与《航天器空间环境效应与防护技术》相接近的课程主要有：《空间物理学》，《空间环境工程学》和《飞行器总体设计》。像《空间物理学》和《空间环境工程学》这类课程通常为理论教学，缺少实践环节。而像《飞行器总体设计》这类课程在教学内容的安排上以讲授航天器轨道理论及其各分系统设计为核心，缺少针对环境效应的防护设计内容。此外，尽管当前航天器空间环境效应的防护设计已成为航天领域的重要研究前沿，国内相关课程建设仍然极为缺乏。像哈工大、北航、西工大以及南航等航空航天强校均开设有人机与环境工程/飞行器设计等专业，教学内容多以空间环境介绍等理论教学为主，缺少系统的航天器空间环境效应防护设计的授课内容。

在学生方面，学习内容多为宇宙起源、空间天文学、磁层/等离子体动力学、中高层大气动力学等空间物理方面的“高大上”的理论知识为主，知识体系抽象，公式推导繁琐、内容较为晦涩，很难激发学生的学习与研究兴趣。

在教材方面，作为专业基础课程，《航天器空间环境效应与防护技术》目前国内还没有统一教材。多数航空航天类高校偏重于空间物理环境方面的教学，对航天器空间环境防护设计方面的教学内容多局限于某一或某几个特殊环境方面，并且呈孤立的讲义式课件。例如国内哈工大、北航等高校开设了《高超音速飞行器设计》课程，其中针对性的介绍了高超音速飞行器在大气层飞行时面临的气动加热环境防护方法，而西安电子科技大学针对返回式航天器面临的高温等离子体黑障区通信问题開设了相应课程。

从教学方法上来说，国内的相近课程大多采用传统的理论教学模式，以理论传授为主，老师讲，学生听，不能将教师从事的具体研究工作与理论教学内容统一起来，导致学生积极性不足。教师在教学活动中难以有效引起学生学习兴趣。

综上所述，目前《航天器空间环境效应与防护技术》课程存在较为严重的缺乏，当前课程体系及教学效果亟待完善提高。为提高我国航天类专业学生的基础知识和创新意识，迫切需要建设和完善能激发学生研学合一的课程。

3 采取的措施

首先广泛查阅、借鉴美欧俄等航天强国相关院校航天专业的课程培养体系情况，结合国内实际专业培养方案，整理、归纳航天器空间环境效应与防护技术的主干内容与典型案例，建设完整的《航天器空间环境效应与防护技术》教材。在課程教学中应采用理论联系实际和教育学、心理学等学科相结合等方法开展研究。紧密结合专业理论课程和学生的课程知识体系的实际情况，梳理教学内容，建设教学课件和仿真实例，探索教学方法改革，建立师生互动平台。

3.1 梳理教学内容，建设教学课件和仿真实例

深入查阅调研分析国外航天高校相关专业的培养方案及课程教学体系，如美国麻省理工学院、俄罗斯莫斯科国立航空学院、英国帝国理工学院、法国国家高等航天航空学院、乌克兰哈尔科夫国立航空航天大学等航天强校。详细分析总结高校航天工程和人机与环境工程等专业学生知识体系背景、教师承担的主要科研课题情况，确定适用的课程培养目标以及与其它相关课程关系，从而确定课程具体目标、教学内容与结构。

3.2 搜集、整理、跟踪当前国际航天器空间环境效应防护领域的研究动态，有机引入课程体系

在充分搜集整理当前防护研究工作前沿和研究动态的基础上，将具体研究进展分门别类的与理论部分相衔接，并给出当前仍亟待解决的研究难点、热点，激励学生思考式学习。例如针对机遇号和勇气号火星车在火星探测任务中出现的沙尘暴污染覆盖太阳能电池板，造成火星车能源中断的案例进行分析，并类推至月球探测中也有沙尘暴现象，引导学生积极思考太阳能电池板、敏感光学表面、航天员尘埃防护措施。在微流星与空间碎片环境效应中，举例说明当前太空垃圾已高达3000吨并且随着人类频繁的航天活动，碎片效应日益严重，急需解决空间碎片问题，激发学生积极思考解决方案。

3.3 改革完善课程教学方法

研究课程的教学理论，恰当的教学方法和教学手段，力争在教学中做因材施教。进行教学方法改革的探索，借鉴互动式教学和研究型教学等方法，增加交互式、启发式教学环节。注重科学性与技术性的统一，严谨性与趣味性的统一，广度和深度的统一。建立邮箱、QQ群、微信群等师生互动平台、鼓励学生勤于思考，敢于创新，并及时给出指导意见。

3.4 科研实践

科研实践活动是激励激发学生学习和研究兴趣的高效手段。依据院系相关教师承担科研课题及与航天型号任务研制单位合作情况，尽可能安排实验课时和实践实习机会，让学生身临其境，参与到具体科研任务中，达到学以致用的效果。在国内航天型号研制任务单位中，航天科技集团下属的北京卫星环境工程研究所及上海卫星工程研究所等单位承担着我国主要的航天器空间环境防护设计任务。教师应积极联系沟通，并让学生及时关注这些前沿单位的科研任务，创造条件让学生切实切身感受到科研任务。此外，建议学校设立科创项目，鼓励支持学生从事航天科研创新活动。

4 结束语

《航天器空间环境效应与防护技术课程》作为航天工程及飞行器设计等专业的重要专业基础课程，既具有教学内容理论抽象又有紧迫的航天科研需求背景等特点。在具体教学活动中，应博采众长，吸取国外航天院校的培养模式的精华，并因地制宜的结合国内培养方案及航天任务需求，做到理论授课与科研实际相结合，激发激励学生学习和科研兴趣。并注重教学方法的探索和革新，与时俱进，达到学以致用的目的，从而为我国航天科技事业培养兼具扎实专业基础和颠覆性视野的创新型航天人才。

【参考文献】

[1]赵良玉，唐胜景，王伟，等.航空航天类专业本科教学实验室建设与思考[J].实验科学与技术，2014，12（6）：187-190

[2]李九天，唐国金.关于提高课程教学对工程硕士论文研究支撑作用的思考——以国防科学技术大学航天与材料工程学院航天工程领域的培养为例[C]//湖南学位与研究生教育学会2005年学术年会.2005.

[3]田正雨，李桦.麻省理工学院航空航天类本科生课程体系分析.高等教育研究学报，2010，33（1）；58-61.

[4]何兵，刘刚，刘志强，等.欧美航空航天专业人才培养模式研究[J].学理论，2015（30）：145-146.

[5]王伟，林德福，张训文.航空航天专业实验教学体系探索[J].中国现代教育装备，2014（23）：82-84.