“航天任务分析与设计”实践教学改革研究

张 进，杨 震，罗亚中，梁彦刚

（国防科技大学 空天科学学院，湖南 长沙 410073）

一、课程概述及面临的教学难题

航空航天总体设计类课程主要讲授卫星、导弹、飞机等航空航天飞行器或飞行任务的总体、分系统技术及管理方面的主要内容。典型课程如，“卫星工程”“航天器总体设计”“导弹总体设计与分析”“飞机总体设计”“航天任务分析与设计”等。这类课程具有工程实践性与综合性强、涉及内容广泛、理论和实践结合紧密等特点。在美国麻省理工学院、法国高等航空航天学院、英国帝国理工学院、英国格拉斯哥大学等著名国际航空航天院校以“Space Mission Analysis and Design”“Space Systems Engineering”等不同名称开设课程，对航空航天人才的培养起到了重要作用。“航天任务分析与设计”作为一门典型的航空航天总体类课程，从大系统工程角度讲授航天任务分析和总体设计，内容涵盖航天任务分析与设计过程、航天器平台设计、轨道姿态设计、有效载荷确定和参数选择、通信系统与链路设计、发射系统分析、地面系统、飞行任务运营、可靠性分析、成本估计等。该课程不局限于具体分系统或某一具体技术分支，可以帮助研究生从宏观上相对全面地理解、分析、设计航天任务，建立局部技术分支与任务整体的有机联系，开阔视野。

由于课程内容面广，每一项内容都可单独开设一门专业课程学习。以往，该课程主要面向博士生开设，并由经验丰富的资深老教授进行讲授；教学改革后，课程需要面向尚未参与过或较少参与工程任务的研究生开设，教师队伍也是老中青相结合。一方面，研究生学习时，因知识面不够广、经验不够丰富等原因，往往觉得学习内容抽象难懂、形式不够生动有趣、案例陈旧不能紧跟技术最新发展；动手锻炼少，课堂上跟不上老师的节奏；课后开展不了分析计算，学习浅尝辄止，无法学以致用，对研究生后续具体研究航空航天问题帮助有限。另一方面，传统的教学方法忽视了对研究生爱国主义情怀的培育、航天精神的塑造、工程伦理的教育，以及世界观、人生观、价值观正确的引导。如何解决航天精神培育少、理论抽象而难以应用、枯燥、兴趣低等问题，实现航天精神的传承，紧跟技术发展，激发学习兴趣，理论与实践结合，帮助研究生学以致用，是教学改革需要解决的关键问题。

二、教学改革总体思路

针对上述问题，建设基于课程思政新理念的案例体系、课内竞赛与估算及商业软件应用相结合的实践教学环节，以进一步培育研究生爱国奉献精神，激发主动学习的兴趣，提高总体设计能力，教学改革总体思路如图1所示。

图1 教学改革思路

三、基于课程思政新理念的案例体系建设

案例主要以介绍近四十年的森林火灾卫星为主。传统的教学方法未适应最新技术的发展需求，形式多以表格数据或流程讲解，抽象难懂，难以吸引研究生，同时也忽视了爱国主义情怀的培育。基于课程思政新理念，针对该问题从以下四个方面进行了案例体系建设。

1.引入现役航天器、著名运载火箭、我国测控运营流程等的分析、设计内容，进行分系统案例建设，加强研究生对最新进展的了解，同时引导从大系统角度思考技术发展的脉络。例如，在讲授发射系统分析时，介绍国内外主流运载火箭的主要性能参数，重点以国内长征5号与美国猎鹰9号运载火箭为案例，阐述不同的航天发展战略；以海南发射场选址的案例串联发射场运作涉及的众多要素，并帮助理解其重要意义。

2.以交会对接任务等为例，进行综合性案例建设，帮助研究生理解各分系统协同完成任务的分析与设计过程。从载人航天发展战略及任务需求出发，阐述交会对接任务涉及发射场系统、火箭系统、测控系统、着陆场系统、飞船系统、目标飞行器系统、航天员系统、空间应用系统等主要单元的基本设计；介绍工程论证、方案设计与研制、初样设计与研制、正样设计与研制、发射在轨测试与应用等阶段情况，帮助研究生建立从工程分系统（横向），以及全生命周期（纵向）两个维度进行综合分析与设计的思维；同时，通过分系统与总体关系的讨论，引导学生思考马克思主义哲学中整体与部分的辩证关系。

3.对教学中学生反馈无法深入学习的内容，适当补充背景知识，并给出课后阅读文献建议，开阔知识面。例如，讲到成本分析时，补充针对不同时期、不同航天器造价及运载火箭发射报价的公开资料进行课后阅读，帮助理解减重、火箭重复使用、基于交会对接的在轨服务等的重要性；在讲到可靠性分析时，阐述我国航天领域“零缺陷、零疑点、零故障”的质量文化。

4.结合航天历史上的关键事件、名人故事，特别是关键技术攻坚克难过程中的先进事迹，加深学生对关键问题的理解；同时，增加课堂的趣味性，润物细无声地培育爱国奉献的情怀与不畏艰难、勇于创新的精神。例如，讲到航天器总体设计时，引出“中国航天之父”钱学森放弃国外优越条件、克服重重困难回到祖国，为创建和发展中国火箭导弹、航天事业作出杰出贡献的事迹；通过分系统关系的讨论，引出“神舟七号”任务中载人航天工程七大系统正副总工程师、总指挥中有十多人均毕业于国防科技大学的人才“森林效应”，并进一步阐述“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神。

四、实践性教学环节建设

课程改革前的教学方式主要以课堂讲授知识为主，以考试为评价方式，研究生参与性较低，因理论知识抽象而较难做到学以致用。针对该问题，从以下四个方面进行实践性教学环节建设。

1.利用卫星工具箱商业软件基本用法的讲授与练习，将基于商业软件的航天任务分析设计与理论知识结合，锻炼研究生在轨道任务、通信系统与测控链路等部分的实际计算分析能力。由于课程涉及知识面广，不少内容都可以单独开设专业课进行讲授，如果要求研究生均深入理解与学习，一方面远超课时约束，另一方面容易陷入局部而忽略了整体，这就偏离了课程的定位与初衷。可快速上手的商业软件，帮助研究生在理解浅、经验少的情况上进行快速实践，将关注点保留在总体与分系统的关系、分系统主要设计与分析因素等，有利于保持恰当的力度与难度。

2.增加航天器质量、功率、发射质量、成本、可靠性等估算模型的讲授与练习，锻炼研究生在总体分析设计中的估算能力。设计了简单阐述、计算及编程实践相结合的习题集，并配套给出解答与部分求解源码，进一步提高实用性。设计开发了配套的系列估算分析表格，帮助研究生动手分析，加深理解，如表1所示。基于估算的实践，可帮助研究生暂时忽略问题背后复杂的过程与细节，抓主要因素，忽略次要因素，在任务设计初期特别是对研究生这样的初学者具有重要意义。

表1 总速度增量估算电子表格

3.设计课内竞赛性综合大作业，以及大作业研讨环节，激发主动学习兴趣，锻炼研究生综合运用商业软件、估算开展航天任务分析与设计的能力。每个教学进度的大作业题目均不相同，如“区域增强的导航星座任务分析与设计”“GEO在轨服务任务方案分析与设计”“大型低轨卫星星座任务方案分析与设计”等。设计的大作业往往贯穿航天任务分析与设计的主要环节，以及课程主要知识点，为了锻炼学生对课程知识的综合运用能力；同时，图文并茂的课件汇报、针对性提问与有效回答等过程，锻炼了研究生写作、口头表达与交流等多项能力。

4.增加实地教学环节，包括参观实验室，体验航天器轨道原理、空间态势分析、手动交会对接、星座设计等的虚拟实验项目，并对照航天任务分析与设计基本步骤，分析相应航天任务的设计要素及思路。虚拟实验项目以三维可视化的直观方式及丰富的图表展示原本复杂的空间几何关系与任务环节，并提供友好的人机交互界面与快捷的任务分析响应，可帮助研究生进一步巩固课程知识点，同时也增加了课程的趣味性。

结语

“航天任务分析与设计”是航空宇航科学与技术学科的专业核心课程，涉及内容广，对研究生知识储备及对实际航天工程任务的整体理解能力要求高。通过案例、事件、故事等来完善、丰富课程内容，培育研究生爱国奉献精神，激发主动学习的兴趣；建立了基于估算与商业软件的实践性教学环节，帮助研究生加深知识理解，做到学以致用，进一步提升了教学效果。研究探索形成的实践教学新方法，可为航空航天总体设计类课程的教学改革提供参考。