实飞项目为牵引的飞行器专业人才培养模式探索-以小型固体火箭实践教学为例

随着航天技术的快速发展与逐步成熟，进入该行业的门槛也在逐渐降低，2014年国务院发布了允许民间资本进入航天领域政策［1］，此后民营航天公司像雨后春笋般出现，各有所长，各有特色。近些年，我国航天发射任务逐年增加，出现了多种新型号的火箭［2-3］，例如航天科工的快舟系列、航天科技的捷龙系列、中国科学院的力箭、零壹空间的重庆两江之星、星河动力的谷神星、星际荣耀的双曲线等，这些新型号火箭有一个共同的特点，都是固体动力火箭，由此可看出，我国目前的工业体系和市场供应能够满足小型固体火箭的研发。相对于液体火箭，小型固体火箭难度较低，研发周期较短，该产业的规模在未来一段时间内会持续扩大，同时对于专业科技人才的需求十分急迫。针对此现状和趋势，航空航天类高校都在提高实践教学的比例和质量，目前的实践教学以理论课实验和仿真为主，例如“旋翼飞行器的双目视觉定位实验”［4］“飞行器结构设计实验”［5］“末制导段的等效验证实验”［6］“飞行器系统综合仿真实验”［7］“航空发动机控制系统课程虚拟仿真实验”［8］等。也有部分学校开展了飞行器总体方面的实践课程，主要是以小型无人机为对象，通过创新课题牵引无人机的制作和飞行试验［9-11］，培养学生的创新思维和实践能力。国防科技大学空天科学学院根据学生培养方案，结合自身特色开设了小型固体火箭（也称为教学火箭）实飞项目的实践课程，目的是密切专业理论知识与实际运用及未来岗位的联系。本文针对教学火箭飞行试验的特点，分析了实践教学存在的困难和挑战，提出了相应的解决方案，并进行了教学特点和人才培养模式的实践探索。一、实飞类实践课程的概况与挑战针对飞行器专业创新实践能力培养的需求，我院在大四学年开设教学火箭实飞的实践课程，目的是通过设计与发射小型固体火箭，将所学的专业理论知识融会贯通，培养学生运用理论知识解决实际问题能力。通过实飞项目培养学生的总体设计观念，理解所学的专业知识在飞行器总体及相关行业中的重要作用，激发学生对航天专业的认同和热爱，坚定从事航天事业的决心。实飞项目涉及小型固体火箭研制与飞行试验的全周期内容，要求教学条件完备、教学内容合理、教学组织严密。从具体的教学实施过程看，主要存在以下三方面的挑战。（一）专业理论知识与实飞火箭联系不紧密实践课程面向大四学生开设，学生已经学习了大部分的专业课程，具备一定的专业知识基础，但是前序的专业课大部分是理论课，实践内容较少，且以仿真实验为主，例如动力学与控制相关课程中，以弹道和控制的设计为主，理论知识点与实飞火箭的各项功能联系不紧密。因此，作为实践课程，教学内容的设计更要突出已学理论知识与实践对象的映射关系，培养学生理论联系实际的能力。（二）飞行试验的可靠性、创新性、兼容性较弱理论课程的实践内容聚焦理论知识点，简化或忽略其他辅助部分，这种做法不适用于实飞项目，实飞项目的每个节点都很重要，须确保正常工作，否则会牵一发而动全身，影响实飞效果，甚至失败。为了保证飞行试验的可靠性，需将火箭状态固化。但是作为教学工具，需要具有拓展性以支撑学生的创新实践，突出课程的创新性、高阶性和挑战度［12］。另外，实飞项目成本较高，希望每次飞行都能进行一些新技术的验证，提升实飞项目的价值。因此，在教学内容设计上需要加强飞行可靠性和创新性的结合。（三）教师队伍实飞经验不足实飞项目的实践教学首先锻炼的是教师队伍，需要涵盖小型固体火箭设计的各个分系统，并且需要具有丰富的飞行经验和实践能力。笔者所在的教研室有总体、动力、结构、气动、制导控制、测发控、试验评估等方向的教师，早在2009年就开展了小型固体火箭的研究和教学工作［13］，组织过小型固体火箭飞行试验。在科研项目中参与过相关的飞行试验，具备一定的实践经验，但是试验次数较少，经验不够丰富，并且要支撑实践教学的创新性和拓展性，因此要求更高。二、实飞类实践课程的设计与探索（一）教学条件建设与教学内容设计教学条件是实践教学的重要基础，教学团队通过调研，选择了经过实飞验证的小型固体火箭发动机、降落伞系统、导航制导控制系统、测发控和遥测设备，结合发动机能力设计了火箭的结构和气动外形。自主研发了总体设计、气动计算、制导控制算法设计、测试与遥测、半实物仿真等软件和程序，搭建了全套软硬件设备，有效支撑了实践教学的开展。教学内容的设计考虑理论知识与实飞火箭的结合，将理论知识融入实物的操作和测试中，涉及的先导课程包括“飞行器总体设计”“飞行力学”“空气动力学”“制导控制原理”“计算方法”“大学计算机基础”等。突出实践特色，设计软硬件系统介绍和测试的教学内容，建立学生对小型固体火箭的直观认知，形成与理论知识互补的实践教学内容。实践教学内容设置设计仿真、总装测试、飞行试验和试验评估四个实践环节。设计仿真实践侧重火箭总体参数化设计，体现出理论知识与实飞火箭的结合。总装测试实践侧重对火箭实物的功能检测，培养学生的动手实践能力、安全意识和流程规范意识。飞行试验实践安排在专业靶场集中实施，培养学生组织协调能力和团队协作精神。试验评估实践侧重数据分析和评估结论，培养学生运用理论知识解释现象、分析数据和总结归纳的能力。通过实践教学培养学生运用知识、创新实践和组织协调的能力。实飞类实践课程的设计思路如图1所示。图1实飞类实践课程设计思路（二）教研结合的课程高阶性探索引入教研相结合的模式，将科研项目中需要进行飞行验证的内容与实飞项目相结合，突出实践教学的高阶性，让学生了解该领域的研究前沿，提升学习兴趣。对于准备读研的学生，可提前了解前沿技术发展的现状和趋势，明确研究方向。对于即将参加工作的学生，面临前沿技术的工程实现问题，通过实飞项目的实践训练，将来能够更好地在工作岗位上发挥作用，促进在职业生涯上的成长进步。在已完成的飞行试验中，搭载了科研项目中需要验证的图传设备以及目标指示下无导引设备的末制导技术。（三）教学相长的课程改革模式探索教师的实践经验大部分来自科研项目，在向教学转换的过程中需要结合学生的能力进行改造和教学设计，分三步走，如图2所示。图2学生、教师工作占比和课程改革进程初期，为保证飞行试验的成功率和可靠性，教师参与大部分的设计、测试和试验工作，开放少部分与理论知识点结合紧密的环节，作为实践教学的内容，通常以参数形式开发给学生，也称参数开放，例如开设总体参数校核、姿态控制律设计、开伞条件设计、火箭测试、发射和数据分析等环节，类似于给定一个通用的基础案例。中期，进一步开放设计环节，允许学生开展载荷功能、弹道设计、制导控制等侧重软件方面的创新实践，例如搭载需要验证的有效载荷（图传设备、多弹协同组网设备等）、在线轨迹规划算法、固定或移动目标末制导等技术验证，使学生能够深入了解火箭的工作原理和过程。后期，开放大部分设计环节，教师只把握决定飞行试验安全、稳定的关键环节，发布开放性、探索性飞行任务，可深入到硬件方面的改进，例如新构型飞行器、多级火箭、无人机火箭协同飞行等，让学生自行设计方案，全面提升学生的实践能力和组织能力。教师针对教学过程中学生普遍的薄弱环节，改进教学设计，总结和突出重点与难点。目前，经过两个教学周期的实施，已走过初期阶段，形成了以助推滑翔和伞降回收为主要功能的基础案例，开始中期的探索和实践，其中已完成图传试验搭载测试和地面固定目标的末制导试验。结语本文基于当前航天发射领域快速发展的现状和对高科技专业人才的急迫需求，分析了开展实飞类实践教学的必要性，根据教学火箭飞行试验的特色，分析了实践教学存在理论知识与实飞火箭结合不紧密，飞行可靠性、创新性、兼容性较弱，组织和实施飞行试验的经验缺乏等困难与挑战，介绍了实践教学条件建设和教学内容设计，开展了