歐洲航天局大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`活動(dòng)與啟示

鄧小龍 楊希祥 朱炳杰 麻震宇

摘 ?要：創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)是培養(yǎng)大學(xué)生學(xué)習(xí)、應(yīng)用、拓展知識(shí)的重要途徑，是當(dāng)前國內(nèi)外高等院校廣泛采用的一種人才培養(yǎng)模式。文章以歐洲航天局主導(dǎo)的大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`活動(dòng)為對(duì)象，通過對(duì)該實(shí)踐活動(dòng)的發(fā)展歷程、組織模式、實(shí)施流程、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及典型項(xiàng)目進(jìn)行研究，在組織模式、過程管理、能力培養(yǎng)、社會(huì)效應(yīng)等方面對(duì)我國大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)教育進(jìn)行分析，旨在提高我國大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的組織管理與學(xué)生素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng);探空火箭;科學(xué)氣球

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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、大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`項(xiàng)目概況

創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)是培養(yǎng)大學(xué)生學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的重要途徑，通過參與創(chuàng)造性的科研實(shí)踐活動(dòng)來補(bǔ)充、完善、擴(kuò)展、深化已有的知識(shí)體系，通過在學(xué)習(xí)中實(shí)踐、在實(shí)踐中創(chuàng)新，是國際上廣泛采用的大學(xué)生培養(yǎng)模式[1]。歐洲在學(xué)生培養(yǎng)方面開展了大量的研究和實(shí)踐探索，在許多領(lǐng)域都建立了相應(yīng)的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，取得了豐碩的成果。

大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`（REXUS / BEXUS）項(xiàng)目最初由德國航空航天中心（DLR）和瑞典國家空間委員會(huì)（SSC）之間的雙邊協(xié)議開展，到2007年通過與歐洲航天局（歐空局，ESA）合作，原協(xié)議中瑞典有效載荷的份額提供給其他歐洲國家的學(xué)生，進(jìn)而將該項(xiàng)目覆蓋至全歐洲范圍。目前，大學(xué)生火箭/氣球?qū)嶒?yàn)是由歐空局主導(dǎo)的一項(xiàng)全歐洲范圍內(nèi)的大學(xué)生實(shí)踐實(shí)踐活動(dòng)[2-3]。通過每年在歐空局探空火箭發(fā)射中心組織發(fā)射兩枚亞軌道探測(cè)火箭和兩個(gè)平流層氣球，支持歐洲各大學(xué)和高等教育學(xué)院的大學(xué)生基于探空火箭和高空氣球的飛行任務(wù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)及相應(yīng)的有效載荷進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。

大學(xué)生火箭/氣球?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目面向歐洲高等院校的理工科學(xué)生，支持他們?cè)诖髿饪茖W(xué)、流體物理學(xué)、材料學(xué)、輻射物理學(xué)、天體物理學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域開展自己的實(shí)驗(yàn)。大學(xué)生火箭/氣球?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目已經(jīng)吸引了歐洲數(shù)以千計(jì)的學(xué)生參與其中（包括本科生、研究生和博士生）。參與項(xiàng)目的學(xué)生以項(xiàng)目組的形式，圍繞應(yīng)用探空火箭和高空氣球完成所需要的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，完整經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的整個(gè)項(xiàng)目流程，包括從構(gòu)思、概念設(shè)計(jì)、開發(fā)、搭建、測(cè)試、再到實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施中根據(jù)要求自行制定研究的全部計(jì)劃，參與飛行實(shí)驗(yàn)以及完成數(shù)據(jù)分析和報(bào)告。在整個(gè)項(xiàng)目過程中，學(xué)生們對(duì)航天項(xiàng)目方法有了深入的了解，并對(duì)飛行硬件和軟件的組裝、集成和測(cè)試所需的實(shí)用技能得到充分鍛煉和提高，調(diào)研和科研能力得到最大限度的調(diào)動(dòng)和提升，并且參與此項(xiàng)目的學(xué)生均有大量機(jī)會(huì)與科學(xué)家交流探討。

該項(xiàng)目主要有兩個(gè)目的：促進(jìn)學(xué)生在實(shí)踐中掌握準(zhǔn)備和開展航天任務(wù)方面的知識(shí)與技能，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)航天相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的興趣。歐空局希望通過該實(shí)踐活動(dòng)，能夠讓受過良好教育的大學(xué)生從事航天相關(guān)研究，培養(yǎng)歐洲未來工程師和科學(xué)家[4]。

二、大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`項(xiàng)目的組織實(shí)施模式

（一）實(shí)施流程

REXUS/BEXUS項(xiàng)目面向歐洲各大學(xué)和高等教育學(xué)院的學(xué)生。每年度的實(shí)踐項(xiàng)目均是以征集項(xiàng)目建議書開始，然后歷經(jīng)一個(gè)精簡(jiǎn)但完整的航天項(xiàng)目完整周期，包括設(shè)計(jì)、評(píng)審等階段，最終完成飛行實(shí)驗(yàn)并發(fā)布最終報(bào)告。項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)供學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加培訓(xùn)周、項(xiàng)目評(píng)審和學(xué)術(shù)交流活動(dòng)等，提供有關(guān)項(xiàng)目階段相關(guān)主題的專門講座和研討會(huì)，在整個(gè)項(xiàng)目過程中為學(xué)生提供專家指導(dǎo)。實(shí)踐項(xiàng)目由于學(xué)生團(tuán)隊(duì)自行負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建造和操作他們的實(shí)驗(yàn)，通常由組織方建議組建為跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，包括力學(xué)、電學(xué)、實(shí)驗(yàn)方法以及科學(xué)專業(yè)知識(shí)。

下面以第十二期項(xiàng)目為例介紹大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`項(xiàng)目的組織流程，參與的申請(qǐng)程序每年6月開始，圣誕前完成建議書遴選，此后花大約9個(gè)月的時(shí)間用于準(zhǔn)備氣球?qū)嶒?yàn)，14個(gè)月的時(shí)間用于準(zhǔn)備火箭實(shí)驗(yàn)，于每年3月和10月分別發(fā)射兩枚火箭和兩枚氣球，實(shí)驗(yàn)后3個(gè)月內(nèi)完成最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交。

（二）組織模式

根據(jù)項(xiàng)目組織安排，由德國航空航天中心空間系統(tǒng)研究所的大學(xué)生火箭/氣球?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目組負(fù)責(zé)項(xiàng)目組織工作，主要包括準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)選擇研討班、學(xué)生培訓(xùn)周以及準(zhǔn)備和執(zhí)行相關(guān)評(píng)審工作。由EuroLaunch負(fù)責(zé)運(yùn)載平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)與運(yùn)行管理工作，該組織是瑞典空間研究中心的Esrange空間中心和德國航空航天中心的移動(dòng)火箭基地（MORABA）之間的合作項(xiàng)目。來自德國航空航天中心、瑞典空間研究中心和歐空局的專家為整個(gè)項(xiàng)目的學(xué)生團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持。這包括測(cè)試階段和集成期間的技術(shù)支持，以及在發(fā)射場(chǎng)的活動(dòng)管理和操作。

EuroLaunch分別為氣球?qū)嶒?yàn)和火箭實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備兩份通用信息文件：獲取技術(shù)概述的簡(jiǎn)短說明和詳細(xì)的用戶手冊(cè)。其中，用戶手冊(cè)旨在幫助學(xué)生理解技術(shù)要求和任務(wù)操作。除了這些一般信息文件外，還制定了學(xué)生實(shí)驗(yàn)文件的格式要求，用于規(guī)范實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和記錄要求，幫助學(xué)生以適當(dāng)?shù)姆绞綔?zhǔn)備和記錄他們的實(shí)驗(yàn)。該文檔有明確的結(jié)構(gòu)和格式要求，包括所有實(shí)驗(yàn)的重要信息，該文檔應(yīng)向EuroLaunch、瑞典空間研究中心、德國航空航天中心和歐空局的專家提供開展實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)發(fā)展規(guī)劃和任務(wù)執(zhí)行的詳細(xì)信息。文檔由10部分組成：包括概述、任務(wù)要求、實(shí)驗(yàn)描述、審查和測(cè)試、項(xiàng)目規(guī)劃、外聯(lián)方案、飛行實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、縮寫和參考、附件等。根據(jù)任務(wù)階段不同，文檔共有5個(gè)不同的版本：學(xué)生培訓(xùn)周之前版、初步設(shè)計(jì)評(píng)審版、中期進(jìn)展版、實(shí)驗(yàn)之前版、最終版。

同時(shí)，在每次實(shí)驗(yàn)之前，上述兩組織還輔助實(shí)驗(yàn)組制定飛行需求計(jì)劃，包括有關(guān)任務(wù)載荷、任務(wù)準(zhǔn)備和飛行后活動(dòng)以及參與人員和學(xué)生的信息。每次任務(wù)完成后，都會(huì)向所有參與者分發(fā)一份包含詳細(xì)任務(wù)數(shù)據(jù)的活動(dòng)報(bào)告。

三、搭載平臺(tái)與典型項(xiàng)目介紹

（一）火箭平臺(tái)介紹

REXUS火箭實(shí)驗(yàn)采用一種非制導(dǎo)的自旋穩(wěn)定火箭開展，該火箭是由改進(jìn)的Orion發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單級(jí)火箭，裝有290千克固體推進(jìn)劑。它能夠?qū)⒏哌_(dá)95千克的有效載荷（包括55千克的服務(wù)和回收模塊、40千克的學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)K）到達(dá)78至93千米的高度，火箭平臺(tái)長(zhǎng)度約為5.6米，直徑35.6厘米。該火箭可進(jìn)行大約3分鐘的太空飛行，所有的實(shí)驗(yàn)?zāi)K都是在飛行后回收。

（二）氣球平臺(tái)介紹

BEXUS氣球?qū)嶒?yàn)由體積為12000立方米的高空氣球飛行至最大海拔30千米，具體取決于載荷總質(zhì)量（40-100 千克）。飛行時(shí)間為2-5小時(shí)。飛行實(shí)驗(yàn)可分為6個(gè)階段，分別為：放飛、上升、平飛、下降、著降、回收。放飛階段，對(duì)高空氣球進(jìn)行充氣，完成后逐步釋放氣球和吊艙，實(shí)驗(yàn)載荷隨著吊艙升空。上升階段，通過充氣量設(shè)計(jì)，氣球按設(shè)計(jì)速度5米/秒上升，最終到達(dá)設(shè)計(jì)駐空調(diào)試，上升時(shí)間約為1.5小時(shí)。平飛階段，氣球保持在25-33千米高度飛行，根據(jù)飛行方向、風(fēng)場(chǎng)特征和實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)計(jì)進(jìn)行駐空飛行，通常持續(xù)時(shí)間為1-5小時(shí)，該階段為任務(wù)載荷的主要工作窗口。下降階段通過對(duì)高空氣球進(jìn)行安控處理，吊艙在降落傘的作用下返回。著陸階段為吊艙接近地面并落地，設(shè)計(jì)著陸速度約為8m/s?；厥针A段為實(shí)驗(yàn)隊(duì)根據(jù)落點(diǎn)信息，前往落點(diǎn)位置，回收包括吊艙、載荷在內(nèi)的所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

（三）典型項(xiàng)目介紹

大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`項(xiàng)目包括科學(xué)研究和技術(shù)驗(yàn)證兩類，其中科學(xué)研究項(xiàng)目到目前開展了大氣研究、流體物理、磁場(chǎng)研究、材料研究、輻射物理、天文物理、生物學(xué)等，技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目到目前開展了流體物理、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)部署、導(dǎo)航、推進(jìn)系統(tǒng)、再入系統(tǒng)、微重力技術(shù)等。下面，我們以一個(gè)典型項(xiàng)目為對(duì)象，旨在分析學(xué)生在參與項(xiàng)目過程完成的工作和得到的鍛煉。

宇宙粒子望遠(yuǎn)鏡（CPT-scope）項(xiàng)目于2015年搭載高空氣球（BEXUS 20）完成飛行探測(cè)實(shí)驗(yàn)[5]，項(xiàng)目組由挪威科技大學(xué)、柏林自由大學(xué)、柏林工業(yè)大學(xué)等校學(xué)生組成，旨在探測(cè)對(duì)流層和平流層混合場(chǎng)輻射環(huán)境中的高能粒子。氣球駐空高度駐空高度28.2千米，平飛時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)10分，飛行距離171千米。項(xiàng)目組基于硅探測(cè)器和銅吸收器，以混合方式將輻射硬集成電路與COTS元件結(jié)合起來，構(gòu)建了具備雙冗余的宇宙粒子望遠(yuǎn)鏡，通過改變探測(cè)器的幾何結(jié)構(gòu)來擴(kuò)大粒子的探測(cè)范圍，用于研究平流層中的電子和質(zhì)子等高能亞原子粒子，測(cè)量1-25MeV和20-150MeV能量相對(duì)較高的質(zhì)子和電子通量，為大氣研究提供探測(cè)數(shù)據(jù)。項(xiàng)目組完成了機(jī)械設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)、熱控設(shè)計(jì)、功率設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等工作，并進(jìn)行了地面調(diào)試。CPT-scope技術(shù)演示是歐洲微納衛(wèi)星緊湊型輻射監(jiān)測(cè)儀的一個(gè)重要探索，與大氣和空間物理學(xué)研究緊密有關(guān)。項(xiàng)目組將實(shí)驗(yàn)取得的探測(cè)數(shù)據(jù)與模擬工作進(jìn)行了對(duì)比分析，并研究了立方星（CubeSat）載荷設(shè)備的改進(jìn)方案。同時(shí)，基于項(xiàng)目支持，項(xiàng)目組對(duì)取得的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)交流與教育宣講活動(dòng)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效應(yīng)。

四、對(duì)我國大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的啟示

截止目前，大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`項(xiàng)目共開展將50余次飛行實(shí)驗(yàn)，完成百余次搭載實(shí)驗(yàn)，成為大學(xué)生能力培養(yǎng)重要平臺(tái)?？v觀該實(shí)踐項(xiàng)目的發(fā)展歷程，其在組織模式、過程管理、能力培養(yǎng)、社會(huì)效應(yīng)等諸多方面值得我國在大學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)方面進(jìn)行借鑒。

在組織模式方面，現(xiàn)有高等院校大都基于本校的學(xué)科建設(shè)條件開展實(shí)踐活動(dòng)，硬件資源與經(jīng)費(fèi)保障均受到一定限制。一方面，創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)應(yīng)在一定條件下打通學(xué)科限制，借鑒成熟的優(yōu)勢(shì)平臺(tái)條件開展多學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，在簡(jiǎn)化保障條件與培訓(xùn)過程的同時(shí)可促進(jìn)學(xué)科融合與實(shí)踐效應(yīng);另一方面，開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的院校應(yīng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可與其它院校、工業(yè)部門和機(jī)構(gòu)開展相關(guān)合作，在項(xiàng)目牽引的同時(shí)還能增加專家、設(shè)備、場(chǎng)地等資源條件。

在過程管理方面，現(xiàn)有創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)主要依托實(shí)踐課程或創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)，在實(shí)踐過程中，專家與專業(yè)機(jī)構(gòu)的參與度不高，過程管理主要以時(shí)間截點(diǎn)為依據(jù)，質(zhì)量管理和培訓(xùn)環(huán)節(jié)相對(duì)較少?？稍谝欢ǔ潭壬辖梃b歐空局大學(xué)生火箭/氣球?qū)嵺`項(xiàng)目的過程管理，有明確的實(shí)施流程與組織模式，有明確的牽頭單位和責(zé)任分工，引入充足的專家和技術(shù)人員保障，這對(duì)于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說是極為重要的依托保障。

在能力培養(yǎng)方面，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)應(yīng)當(dāng)重視科學(xué)研究的全過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)涵蓋項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)、項(xiàng)目調(diào)整與詳細(xì)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目研制、項(xiàng)目過程文檔規(guī)范、項(xiàng)目開展實(shí)施、結(jié)果分析、成果交流等各環(huán)節(jié)，以保證學(xué)生在實(shí)踐中得到全面充分的鍛煉和提升，拓展學(xué)生的知識(shí)面與經(jīng)驗(yàn)。

在社會(huì)效應(yīng)方面，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)應(yīng)重視社會(huì)宣傳和品牌效應(yīng)，而不采用學(xué)分、課程、競(jìng)賽的簡(jiǎn)單處理。通過一次良好的、嚴(yán)格的、完善的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生應(yīng)具備對(duì)在某方面扎實(shí)的實(shí)踐能力和認(rèn)識(shí)，應(yīng)多組織學(xué)術(shù)交流和科普活動(dòng)，提升創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的社會(huì)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

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