《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)》課程建設(shè)及教學(xué)思考

呂金鵬 方美華 全榮輝 王志強(qiáng)

【摘 要】隨著我國(guó)綜合國(guó)力的全面提升和快速發(fā)展，航天事業(yè)獲得了井噴式發(fā)展，取得了一系列舉世矚目的輝煌成就。當(dāng)前全球航天科技活動(dòng)范圍已逐漸從近地空間轉(zhuǎn)向太陽(yáng)系進(jìn)軍，空間極端苛刻環(huán)境對(duì)航天員及航天器的影響日趨凸顯，航天器空間環(huán)境防護(hù)工作已成為航天設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。因此，在航天專業(yè)的教學(xué)任務(wù)中，亟需培養(yǎng)具有航天器總體設(shè)計(jì)能力和全局視野的綜合性人才。將航天器空間環(huán)境效應(yīng)相關(guān)理論課程與航天器防護(hù)設(shè)計(jì)研究前沿工作有機(jī)貫穿起來(lái)，在教授理論知識(shí)的同時(shí)，適時(shí)引入當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在航天器環(huán)境效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新研究動(dòng)態(tài)以及研究難題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和研究熱情。通過(guò)學(xué)習(xí)極端空間環(huán)境對(duì)航天器的損傷行為、機(jī)理，掌握科學(xué)的防護(hù)設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生的顛覆性創(chuàng)新精神。

【關(guān)鍵詞】航天器空間環(huán)境效應(yīng)防護(hù)技術(shù)；學(xué)科拓展課；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)思考

中圖分類號(hào)： V524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）27-0138-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.060

根據(jù)國(guó)家航天局公開(kāi)的報(bào)道，未來(lái)二十年將是我國(guó)航天科技活動(dòng)井噴式發(fā)展的時(shí)代。我國(guó)將陸續(xù)完成“長(zhǎng)征”系列新一代大推力運(yùn)載火箭的研制任務(wù)、具有航天員長(zhǎng)期活動(dòng)的“天宮”空間站的發(fā)射組建工作、2029年實(shí)現(xiàn)載人登月，2030年實(shí)現(xiàn)發(fā)射采樣返回的火星機(jī)器人以及小行星探測(cè)等任務(wù)。隨著我國(guó)航天科技事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)航天專業(yè)的高科技青年人才的需求也日益增長(zhǎng)。航天類高等院校承擔(dān)著為國(guó)家航天科技培養(yǎng)專門人才的重要?dú)v史使命，迫切需要做到與時(shí)俱進(jìn)，將航天科技專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與日新月異的前沿技術(shù)有機(jī)貫通起來(lái)，培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)和開(kāi)拓性視野的創(chuàng)新型人才，為使我國(guó)早日邁入世界航天強(qiáng)國(guó)奠定雄厚的智力基礎(chǔ)。1-3

《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)課程》是航天類相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程主要介紹航天器在空間飛行期間所經(jīng)歷的高真空、冷黑、輻射、微重力，微流星、等離子體等苛刻空間環(huán)境及這些環(huán)境因素對(duì)航天器在軌運(yùn)行的影響效應(yīng)，課堂教學(xué)中具有很強(qiáng)的理論性。而飛行器設(shè)計(jì)、人機(jī)與環(huán)境工程等航天專業(yè)的本科生、研究生在課題學(xué)習(xí)和研究中主要著重于針對(duì)這些環(huán)境效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)方法和理論防護(hù)設(shè)計(jì)。這就造成當(dāng)前專業(yè)基礎(chǔ)理論與實(shí)際研究工作的脫節(jié)，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與研究興趣，致使學(xué)生在課題研究中不能將理論與實(shí)際具體工作有機(jī)的融會(huì)貫通。有效解決這一理論與實(shí)際工作脫節(jié)的問(wèn)題對(duì)于優(yōu)化學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、視野和激發(fā)學(xué)生的研究興趣及創(chuàng)新精神將大有益處。

1 《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)設(shè)計(jì)》課程簡(jiǎn)介

航天器在研制、發(fā)射、入軌、返回過(guò)程中要先后經(jīng)歷地面環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、軌道（空間）環(huán)境、返回環(huán)境等四個(gè)階段，其中空間環(huán)境對(duì)航天器的影響最為重要。人類航天活動(dòng)積累的經(jīng)驗(yàn)證明，70%的航天器故障是由空間極端環(huán)境造成的。由于航天器研制、發(fā)射周期較長(zhǎng)、耗資巨大，一旦出現(xiàn)故障，很難進(jìn)行維護(hù)且維修成本高昂。不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，在政治、軍事和國(guó)防安全方面也將產(chǎn)生巨大負(fù)面影響。隨著航天飛機(jī)、載人空間站及深空探測(cè)器等新型航天技術(shù)的快速發(fā)展，航天器朝著多功能、長(zhǎng)壽命、大尺和智能化方向發(fā)展，這些發(fā)展趨勢(shì)對(duì)航天器空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求。4-5

《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)設(shè)計(jì)》課程主要包括航天器空間環(huán)境效應(yīng)、航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)以及航天器智能防護(hù)設(shè)計(jì)等三部分內(nèi)容，分別介紹空間環(huán)境及其對(duì)航天器服役性能的影響、空間環(huán)境下材料效應(yīng)的研究方法和試驗(yàn)技術(shù)、以及應(yīng)對(duì)環(huán)境效應(yīng)的智能材料與結(jié)構(gòu)的防護(hù)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。這三部分的學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。教學(xué)方式以多媒體PPT課件為主，輔以少量仿真動(dòng)畫及視頻。通過(guò)讓學(xué)生了解航天器在軌運(yùn)行時(shí)所經(jīng)歷的極端苛刻環(huán)境以及這些環(huán)境因素對(duì)航天器和航天活動(dòng)的影響，熟悉在地面分別模擬相應(yīng)單一環(huán)境效應(yīng)和綜合環(huán)境協(xié)同效應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)和方法，理解空間冷黑、高真空、冷熱交替循環(huán)、粒子輻射、原子氧侵蝕、微重力，微流星、等離子體輻照等極端空間環(huán)境下航天器的失效行為、失效機(jī)理，應(yīng)對(duì)各種苛刻環(huán)境的防護(hù)設(shè)計(jì)原理、策略及發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生在航天器設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理選材的能力。

2 當(dāng)前存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外與《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)》相接近的課程主要有：《空間物理學(xué)》，《空間環(huán)境工程學(xué)》和《飛行器總體設(shè)計(jì)》。像《空間物理學(xué)》和《空間環(huán)境工程學(xué)》這類課程通常為理論教學(xué)，缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)。而像《飛行器總體設(shè)計(jì)》這類課程在教學(xué)內(nèi)容的安排上以講授航天器軌道理論及其各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為核心，缺少針對(duì)環(huán)境效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容。此外，盡管當(dāng)前航天器空間環(huán)境效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)已成為航天領(lǐng)域的重要研究前沿，國(guó)內(nèi)相關(guān)課程建設(shè)仍然極為缺乏。像哈工大、北航、西工大以及南航等航空航天強(qiáng)校均開(kāi)設(shè)有人機(jī)與環(huán)境工程/飛行器設(shè)計(jì)等專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容多以空間環(huán)境介紹等理論教學(xué)為主，缺少系統(tǒng)的航天器空間環(huán)境效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的授課內(nèi)容。

在學(xué)生方面，學(xué)習(xí)內(nèi)容多為宇宙起源、空間天文學(xué)、磁層/等離子體動(dòng)力學(xué)、中高層大氣動(dòng)力學(xué)等空間物理方面的“高大上”的理論知識(shí)為主，知識(shí)體系抽象，公式推導(dǎo)繁瑣、內(nèi)容較為晦澀，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與研究興趣。

在教材方面，作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)》目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一教材。多數(shù)航空航天類高校偏重于空間物理環(huán)境方面的教學(xué)，對(duì)航天器空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)方面的教學(xué)內(nèi)容多局限于某一或某幾個(gè)特殊環(huán)境方面，并且呈孤立的講義式課件。例如國(guó)內(nèi)哈工大、北航等高校開(kāi)設(shè)了《高超音速飛行器設(shè)計(jì)》課程，其中針對(duì)性的介紹了高超音速飛行器在大氣層飛行時(shí)面臨的氣動(dòng)加熱環(huán)境防護(hù)方法，而西安電子科技大學(xué)針對(duì)返回式航天器面臨的高溫等離子體黑障區(qū)通信問(wèn)題開(kāi)設(shè)了相應(yīng)課程。

從教學(xué)方法上來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的相近課程大多采用傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，以理論傳授為主，老師講，學(xué)生聽(tīng)，不能將教師從事的具體研究工作與理論教學(xué)內(nèi)容統(tǒng)一起來(lái)，導(dǎo)致學(xué)生積極性不足。教師在教學(xué)活動(dòng)中難以有效引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，目前《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)》課程存在較為嚴(yán)重的缺乏，當(dāng)前課程體系及教學(xué)效果亟待完善提高。為提高我國(guó)航天類專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，迫切需要建設(shè)和完善能激發(fā)學(xué)生研學(xué)合一的課程。

3 采取的措施

首先廣泛查閱、借鑒美歐俄等航天強(qiáng)國(guó)相關(guān)院校航天專業(yè)的課程培養(yǎng)體系情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際專業(yè)培養(yǎng)方案，整理、歸納航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)的主干內(nèi)容與典型案例，建設(shè)完整的《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)》教材。在課程教學(xué)中應(yīng)采用理論聯(lián)系實(shí)際和教育學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科相結(jié)合等方法開(kāi)展研究。緊密結(jié)合專業(yè)理論課程和學(xué)生的課程知識(shí)體系的實(shí)際情況，梳理教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)教學(xué)課件和仿真實(shí)例，探索教學(xué)方法改革，建立師生互動(dòng)平臺(tái)。

3.1 梳理教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)教學(xué)課件和仿真實(shí)例

深入查閱調(diào)研分析國(guó)外航天高校相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案及課程教學(xué)體系，如美國(guó)麻省理工學(xué)院、俄羅斯莫斯科國(guó)立航空學(xué)院、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、法國(guó)國(guó)家高等航天航空學(xué)院、烏克蘭哈爾科夫國(guó)立航空航天大學(xué)等航天強(qiáng)校。詳細(xì)分析總結(jié)高校航天工程和人機(jī)與環(huán)境工程等專業(yè)學(xué)生知識(shí)體系背景、教師承擔(dān)的主要科研課題情況，確定適用的課程培養(yǎng)目標(biāo)以及與其它相關(guān)課程關(guān)系，從而確定課程具體目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。

3.2 搜集、整理、跟蹤當(dāng)前國(guó)際航天器空間環(huán)境效應(yīng)防護(hù)領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)，有機(jī)引入課程體系

在充分搜集整理當(dāng)前防護(hù)研究工作前沿和研究動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，將具體研究進(jìn)展分門別類的與理論部分相銜接，并給出當(dāng)前仍亟待解決的研究難點(diǎn)、熱點(diǎn)，激勵(lì)學(xué)生思考式學(xué)習(xí)。例如針對(duì)機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)火星車在火星探測(cè)任務(wù)中出現(xiàn)的沙塵暴污染覆蓋太陽(yáng)能電池板，造成火星車能源中斷的案例進(jìn)行分析，并類推至月球探測(cè)中也有沙塵暴現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生積極思考太陽(yáng)能電池板、敏感光學(xué)表面、航天員塵埃防護(hù)措施。在微流星與空間碎片環(huán)境效應(yīng)中，舉例說(shuō)明當(dāng)前太空垃圾已高達(dá)3000噸并且隨著人類頻繁的航天活動(dòng)，碎片效應(yīng)日益嚴(yán)重，急需解決空間碎片問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生積極思考解決方案。

3.3 改革完善課程教學(xué)方法

研究課程的教學(xué)理論，恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和教學(xué)手段，力爭(zhēng)在教學(xué)中做因材施教。進(jìn)行教學(xué)方法改革的探索，借鑒互動(dòng)式教學(xué)和研究型教學(xué)等方法，增加交互式、啟發(fā)式教學(xué)環(huán)節(jié)。注重科學(xué)性與技術(shù)性的統(tǒng)一，嚴(yán)謹(jǐn)性與趣味性的統(tǒng)一，廣度和深度的統(tǒng)一。建立郵箱、QQ群、微信群等師生互動(dòng)平臺(tái)、鼓勵(lì)學(xué)生勤于思考，敢于創(chuàng)新，并及時(shí)給出指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.4 科研實(shí)踐

科研實(shí)踐活動(dòng)是激勵(lì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究興趣的高效手段。依據(jù)院系相關(guān)教師承擔(dān)科研課題及與航天型號(hào)任務(wù)研制單位合作情況，盡可能安排實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)踐實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，讓學(xué)生身臨其境，參與到具體科研任務(wù)中，達(dá)到學(xué)以致用的效果。在國(guó)內(nèi)航天型號(hào)研制任務(wù)單位中，航天科技集團(tuán)下屬的北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所及上海衛(wèi)星工程研究所等單位承擔(dān)著我國(guó)主要的航天器空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)任務(wù)。教師應(yīng)積極聯(lián)系溝通，并讓學(xué)生及時(shí)關(guān)注這些前沿單位的科研任務(wù)，創(chuàng)造條件讓學(xué)生切實(shí)切身感受到科研任務(wù)。此外，建議學(xué)校設(shè)立科創(chuàng)項(xiàng)目，鼓勵(lì)支持學(xué)生從事航天科研創(chuàng)新活動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

《航天器空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)課程》作為航天工程及飛行器設(shè)計(jì)等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，既具有教學(xué)內(nèi)容理論抽象又有緊迫的航天科研需求背景等特點(diǎn)。在具體教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)博采眾長(zhǎng)，吸取國(guó)外航天院校的培養(yǎng)模式的精華，并因地制宜的結(jié)合國(guó)內(nèi)培養(yǎng)方案及航天任務(wù)需求，做到理論授課與科研實(shí)際相結(jié)合，激發(fā)激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和科研興趣。并注重教學(xué)方法的探索和革新，與時(shí)俱進(jìn)，達(dá)到學(xué)以致用的目的，從而為我國(guó)航天科技事業(yè)培養(yǎng)兼具扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)和顛覆性視野的創(chuàng)新型航天人才。

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