欧洲航天局大学生火箭/气球实践活动与启示

邓小龙 杨希祥 朱炳杰 麻震宇

摘  要：创新实践活动是培养大学生学习、应用、拓展知识的重要途径，是当前国内外高等院校广泛采用的一种人才培养模式。文章以欧洲航天局主导的大学生火箭/气球实践活动为对象，通过对该实践活动的发展历程、组织模式、实施流程、实验平台及典型项目进行研究，在组织模式、过程管理、能力培养、社会效应等方面对我国大学生创新实践活动教育进行分析，旨在提高我国大学生创新实践活动的组织管理与学生素质。

关键词：创新实践活动;探空火箭;科学气球

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）13-0001-03

Abstract： Innovative practice is an important way for university students to learn， apply and expand knowledge. It is a mode of talent cultivation widely adopted by universities at present. In this paper， Rocket and Balloon Experiments for University Students （REXUS/BEXUS） organized by European Space Agency （ESA） is studied. The development history， organization mode， implementation process， test vehicle， and a typical project of the practice are investigated. For innovation practice education of Chinese university students， we analyze the aspects of organization mode， process management， capability training and social effects， with the aim of improving the organizational management and students capabilities.

Keywords： innovative practice activity; sounding rocket; scientific balloon

一、大学生火箭/气球实践项目概况

创新实践活动是培养大学生学生的创新能力和综合素质的重要途径，通过参与创造性的科研实践活动来补充、完善、扩展、深化已有的知识体系，通过在学习中实践、在实践中创新，是国际上广泛采用的大学生培养模式[1]。欧洲在学生培养方面开展了大量的研究和实践探索，在许多领域都建立了相应的学生创新实践活动，取得了丰硕的成果。

大学生火箭/气球实践（REXUS / BEXUS）项目最初由德国航空航天中心（DLR）和瑞典国家空间委员会（SSC）之间的双边协议开展，到2007年通过与欧洲航天局（欧空局，ESA）合作，原协议中瑞典有效载荷的份额提供给其他欧洲国家的学生，进而将该项目覆盖至全欧洲范围。目前，大学生火箭/气球实验是由欧空局主导的一项全欧洲范围内的大学生实践实践活动[2-3]。通过每年在欧空局探空火箭发射中心组织发射两枚亚轨道探测火箭和两个平流层气球，支持欧洲各大学和高等教育学院的大学生基于探空火箭和高空气球的飞行任务，设计实验任务及相应的有效载荷进行科学和技术实验研究。

大学生火箭/气球实验项目面向欧洲高等院校的理工科学生，支持他们在大气科学、流体物理学、材料学、辐射物理学、天体物理学、生物学等领域开展自己的实验。大学生火箭/气球实验项目已经吸引了欧洲数以千计的学生参与其中（包括本科生、研究生和博士生）。参与项目的学生以项目组的形式，围绕应用探空火箭和高空氣球完成所需要的探测实验，完整经历实验的整个项目流程，包括从构思、概念设计、开发、搭建、测试、再到实验和数据分析，学生在项目实施中根据要求自行制定研究的全部计划，参与飞行实验以及完成数据分析和报告。在整个项目过程中，学生们对航天项目方法有了深入的了解，并对飞行硬件和软件的组装、集成和测试所需的实用技能得到充分锻炼和提高，调研和科研能力得到最大限度的调动和提升，并且参与此项目的学生均有大量机会与科学家交流探讨。

该项目主要有两个目的：促进学生在实践中掌握准备和开展航天任务方面的知识与技能，培养学生对航天相关科学和技术的兴趣。欧空局希望通过该实践活动，能够让受过良好教育的大学生从事航天相关研究，培养欧洲未来工程师和科学家[4]。

二、大学生火箭/气球实践项目的组织实施模式

（一）实施流程

REXUS/BEXUS项目面向欧洲各大学和高等教育学院的学生。每年度的实践项目均是以征集项目建议书开始，然后历经一个精简但完整的航天项目完整周期，包括设计、评审等阶段，最终完成飞行实验并发布最终报告。项目经费供学生团队参加培训周、项目评审和学术交流活动等，提供有关项目阶段相关主题的专门讲座和研讨会，在整个项目过程中为学生提供专家指导。实践项目由于学生团队自行负责设计、建造和操作他们的实验，通常由组织方建议组建为跨学科团队，包括力学、电学、实验方法以及科学专业知识。

下面以第十二期项目为例介绍大学生火箭/气球实践项目的组织流程，参与的申请程序每年6月开始，圣诞前完成建议书遴选，此后花大约9个月的时间用于准备气球实验，14个月的时间用于准备火箭实验，于每年3月和10月分别发射两枚火箭和两枚气球，实验后3个月内完成最终实验报告提交。

（二）组织模式

根據项目组织安排，由德国航空航天中心空间系统研究所的大学生火箭/气球实验项目组负责项目组织工作，主要包括准备实验选择研讨班、学生培训周以及准备和执行相关评审工作。由EuroLaunch负责运载平台的实验与运行管理工作，该组织是瑞典空间研究中心的Esrange空间中心和德国航空航天中心的移动火箭基地（MORABA）之间的合作项目。来自德国航空航天中心、瑞典空间研究中心和欧空局的专家为整个项目的学生团队提供技术支持。这包括测试阶段和集成期间的技术支持，以及在发射场的活动管理和操作。

EuroLaunch分别为气球实验和火箭实验准备两份通用信息文件：获取技术概述的简短说明和详细的用户手册。其中，用户手册旨在帮助学生理解技术要求和任务操作。除了这些一般信息文件外，还制定了学生实验文件的格式要求，用于规范实验内容和记录要求，帮助学生以适当的方式准备和记录他们的实验。该文档有明确的结构和格式要求，包括所有实验的重要信息，该文档应向EuroLaunch、瑞典空间研究中心、德国航空航天中心和欧空局的专家提供开展实验的实验要求、实验设置、实验发展规划和任务执行的详细信息。文档由10部分组成：包括概述、任务要求、实验描述、审查和测试、项目规划、外联方案、飞行实验、实验报告、缩写和参考、附件等。根据任务阶段不同，文档共有5个不同的版本：学生培训周之前版、初步设计评审版、中期进展版、实验之前版、最终版。

同时，在每次实验之前，上述两组织还辅助实验组制定飞行需求计划，包括有关任务载荷、任务准备和飞行后活动以及参与人员和学生的信息。每次任务完成后，都会向所有参与者分发一份包含详细任务数据的活动报告。

三、搭载平台与典型项目介绍

（一）火箭平台介绍

REXUS火箭实验采用一种非制导的自旋稳定火箭开展，该火箭是由改进的Orion发动机驱动的单级火箭，装有290千克固体推进剂。它能够将高达95千克的有效载荷（包括55千克的服务和回收模块、40千克的学生实验模块）到达78至93千米的高度，火箭平台长度约为5.6米，直径35.6厘米。该火箭可进行大约3分钟的太空飞行，所有的实验模块都是在飞行后回收。

（二）气球平台介绍

BEXUS气球实验由体积为12000立方米的高空气球飞行至最大海拔30千米，具体取决于载荷总质量（40-100 千克）。飞行时间为2-5小时。飞行实验可分为6个阶段，分别为：放飞、上升、平飞、下降、着降、回收。放飞阶段，对高空气球进行充气，完成后逐步释放气球和吊舱，实验载荷随着吊舱升空。上升阶段，通过充气量设计，气球按设计速度5米/秒上升，最终到达设计驻空调试，上升时间约为1.5小时。平飞阶段，气球保持在25-33千米高度飞行，根据飞行方向、风场特征和实验区域设计进行驻空飞行，通常持续时间为1-5小时，该阶段为任务载荷的主要工作窗口。下降阶段通过对高空气球进行安控处理，吊舱在降落伞的作用下返回。着陆阶段为吊舱接近地面并落地，设计着陆速度约为8m/s。回收阶段为实验队根据落点信息，前往落点位置，回收包括吊舱、载荷在内的所有实验设备。

（三）典型项目介绍

大学生火箭/气球实践项目包括科学研究和技术验证两类，其中科学研究项目到目前开展了大气研究、流体物理、磁场研究、材料研究、辐射物理、天文物理、生物学等，技术验证项目到目前开展了流体物理、通信系统、控制系统、系统部署、导航、推进系统、再入系统、微重力技术等。下面，我们以一个典型项目为对象，旨在分析学生在参与项目过程完成的工作和得到的锻炼。

宇宙粒子望远镜（CPT-scope）项目于2015年搭载高空气球（BEXUS 20）完成飞行探测实验[5]，项目组由挪威科技大学、柏林自由大学、柏林工业大学等校学生组成，旨在探测对流层和平流层混合场辐射环境中的高能粒子。气球驻空高度驻空高度28.2千米，平飞时长2小时10分，飞行距离171千米。项目组基于硅探测器和铜吸收器，以混合方式将辐射硬集成电路与COTS元件结合起来，构建了具备双冗余的宇宙粒子望远镜，通过改变探测器的几何结构来扩大粒子的探测范围，用于研究平流层中的电子和质子等高能亚原子粒子，测量1-25MeV和20-150MeV能量相对较高的质子和电子通量，为大气研究提供探测数据。项目组完成了机械设计、电子设计、热控设计、功率设计、软件设计等工作，并进行了地面调试。CPT-scope技术演示是欧洲微纳卫星紧凑型辐射监测仪的一个重要探索，与大气和空间物理学研究紧密有关。项目组将实验取得的探测数据与模拟工作进行了对比分析，并研究了立方星（CubeSat）载荷设备的改进方案。同时，基于项目支持，项目组对取得的经验和结果进行了大量的学术交流与教育宣讲活动，产生了良好的社会效应。

四、对我国大学生创新实践活动的启示

截止目前，大学生火箭/气球实践项目共开展将50余次飞行实验，完成百余次搭载实验，成为大学生能力培养重要平台。纵观该实践项目的发展历程，其在组织模式、过程管理、能力培养、社会效应等诸多方面值得我国在大学生实践活动方面进行借鉴。

在组织模式方面，现有高等院校大都基于本校的学科建设条件开展实践活动，硬件资源与经费保障均受到一定限制。一方面，创新实践活动应在一定条件下打通学科限制，借鉴成熟的优势平台条件开展多学科实践活动，在简化保障条件与培训过程的同时可促进学科融合与实践效应;另一方面，开展创新实践活动的院校应优势互补，可与其它院校、工业部门和机构开展相关合作，在项目牵引的同时还能增加专家、设备、场地等资源条件。

在过程管理方面，现有创新实践活动主要依托实践课程或创新竞赛活动，在实践过程中，专家与专业机构的参与度不高，过程管理主要以时间截点为依据，质量管理和培训环节相对较少。可在一定程度上借鉴欧空局大学生火箭/气球实践项目的过程管理，有明确的实施流程与组织模式，有明确的牵头单位和责任分工，引入充足的专家和技术人员保障，这对于缺少实践经验的学生来说是极为重要的依托保障。

在能力培养方面，大学生创新实践活动应当重视科学研究的全过程中的各个环节，应涵盖项目初步设计、项目调整与详细设计、项目研制、项目过程文档规范、项目开展实施、结果分析、成果交流等各环节，以保证学生在实践中得到全面充分的锻炼和提升，拓展学生的知识面与经验。

在社会效应方面，大学生创新实践活动应重视社会宣传和品牌效应，而不采用学分、课程、竞赛的简单处理。通过一次良好的、严格的、完善的创新实践活动，学生应具备对在某方面扎实的实践能力和认识，应多组织学术交流和科普活动，提升创新实践活动的社会效应。

参考文献：

[1]刘艳，孟威，孟令军，等.大学生创新实践教育模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：166-168.

[2]http：//rexusbexus.net/[EB/OL].

[3]https：//www.esa.int/Education/Rocket_Balloon_Experiments_for_University_Students[EB/OL].

[4]Harald Hellmann，Andreas Stamminger，Alexander Schmidt. Student Education During The REXUS/BEXUS Projects，19th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research， Bad Reichenhall， Germany， 7-11 June 2009.

[5]Timo A. Stein， Julian Petrasch， Anton Walter， et al. CPT-SCOPE： COMPACT PARTICLE RADIATION MONITOR TECHNOLOGY DEMONSTRATION ABOARD BEXUS 20，23th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research， Visby， Sweden， 11-15 June，2017.