實飛項目為牽引的飛行器專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索-以小型固體火箭實踐教學(xué)為例

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展與逐步成熟，進(jìn)入該行業(yè)的門檻也在逐漸降低，2014年國務(wù)院發(fā)布了允許民間資本進(jìn)入航天領(lǐng)域政策［1］，此后民營航天公司像雨后春筍般出現(xiàn)，各有所長，各有特色。近些年，我國航天發(fā)射任務(wù)逐年增加，出現(xiàn)了多種新型號的火箭［2-3］，例如航天科工的快舟系列、航天科技的捷龍系列、中國科學(xué)院的力箭、零壹空間的重慶兩江之星、星河動力的谷神星、星際榮耀的雙曲線等，這些新型號火箭有一個共同的特點，都是固體動力火箭，由此可看出，我國目前的工業(yè)體系和市場供應(yīng)能夠滿足小型固體火箭的研發(fā)。相對于液體火箭，小型固體火箭難度較低，研發(fā)周期較短，該產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在未來一段時間內(nèi)會持續(xù)擴大，同時對于專業(yè)科技人才的需求十分急迫。針對此現(xiàn)狀和趨勢，航空航天類高校都在提高實踐教學(xué)的比例和質(zhì)量，目前的實踐教學(xué)以理論課實驗和仿真為主，例如“旋翼飛行器的雙目視覺定位實驗”［4］“飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗”［5］“末制導(dǎo)段的等效驗證實驗”［6］“飛行器系統(tǒng)綜合仿真實驗”［7］“航空發(fā)動機控制系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗”［8］等。也有部分學(xué)校開展了飛行器總體方面的實踐課程，主要是以小型無人機為對象，通過創(chuàng)新課題牽引無人機的制作和飛行試驗［9-11］，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)方案，結(jié)合自身特色開設(shè)了小型固體火箭（也稱為教學(xué)火箭）實飛項目的實踐課程，目的是密切專業(yè)理論知識與實際運用及未來崗位的聯(lián)系。本文針對教學(xué)火箭飛行試驗的特點，分析了實踐教學(xué)存在的困難和挑戰(zhàn)，提出了相應(yīng)的解決方案，并進(jìn)行了教學(xué)特點和人才培養(yǎng)模式的實踐探索。一、實飛類實踐課程的概況與挑戰(zhàn)針對飛行器專業(yè)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的需求，我院在大四學(xué)年開設(shè)教學(xué)火箭實飛的實踐課程，目的是通過設(shè)計與發(fā)射小型固體火箭，將所學(xué)的專業(yè)理論知識融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決實際問題能力。通過實飛項目培養(yǎng)學(xué)生的總體設(shè)計觀念，理解所學(xué)的專業(yè)知識在飛行器總體及相關(guān)行業(yè)中的重要作用，激發(fā)學(xué)生對航天專業(yè)的認(rèn)同和熱愛，堅定從事航天事業(yè)的決心。實飛項目涉及小型固體火箭研制與飛行試驗的全周期內(nèi)容，要求教學(xué)條件完備、教學(xué)內(nèi)容合理、教學(xué)組織嚴(yán)密。從具體的教學(xué)實施過程看，主要存在以下三方面的挑戰(zhàn)。（一）專業(yè)理論知識與實飛火箭聯(lián)系不緊密實踐課程面向大四學(xué)生開設(shè)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了大部分的專業(yè)課程，具備一定的專業(yè)知識基礎(chǔ)，但是前序的專業(yè)課大部分是理論課，實踐內(nèi)容較少，且以仿真實驗為主，例如動力學(xué)與控制相關(guān)課程中，以彈道和控制的設(shè)計為主，理論知識點與實飛火箭的各項功能聯(lián)系不緊密。因此，作為實踐課程，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計更要突出已學(xué)理論知識與實踐對象的映射關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。（二）飛行試驗的可靠性、創(chuàng)新性、兼容性較弱理論課程的實踐內(nèi)容聚焦理論知識點，簡化或忽略其他輔助部分，這種做法不適用于實飛項目，實飛項目的每個節(jié)點都很重要，須確保正常工作，否則會牽一發(fā)而動全身，影響實飛效果，甚至失敗。為了保證飛行試驗的可靠性，需將火箭狀態(tài)固化。但是作為教學(xué)工具，需要具有拓展性以支撐學(xué)生的創(chuàng)新實踐，突出課程的創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度［12］。另外，實飛項目成本較高，希望每次飛行都能進(jìn)行一些新技術(shù)的驗證，提升實飛項目的價值。因此，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上需要加強飛行可靠性和創(chuàng)新性的結(jié)合。（三）教師隊伍實飛經(jīng)驗不足實飛項目的實踐教學(xué)首先鍛煉的是教師隊伍，需要涵蓋小型固體火箭設(shè)計的各個分系統(tǒng)，并且需要具有豐富的飛行經(jīng)驗和實踐能力。筆者所在的教研室有總體、動力、結(jié)構(gòu)、氣動、制導(dǎo)控制、測發(fā)控、試驗評估等方向的教師，早在2009年就開展了小型固體火箭的研究和教學(xué)工作［13］，組織過小型固體火箭飛行試驗。在科研項目中參與過相關(guān)的飛行試驗，具備一定的實踐經(jīng)驗，但是試驗次數(shù)較少，經(jīng)驗不夠豐富，并且要支撐實踐教學(xué)的創(chuàng)新性和拓展性，因此要求更高。二、實飛類實踐課程的設(shè)計與探索（一）教學(xué)條件建設(shè)與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計教學(xué)條件是實踐教學(xué)的重要基礎(chǔ)，教學(xué)團隊通過調(diào)研，選擇了經(jīng)過實飛驗證的小型固體火箭發(fā)動機、降落傘系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)、測發(fā)控和遙測設(shè)備，結(jié)合發(fā)動機能力設(shè)計了火箭的結(jié)構(gòu)和氣動外形。自主研發(fā)了總體設(shè)計、氣動計算、制導(dǎo)控制算法設(shè)計、測試與遙測、半實物仿真等軟件和程序，搭建了全套軟硬件設(shè)備，有效支撐了實踐教學(xué)的開展。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計考慮理論知識與實飛火箭的結(jié)合，將理論知識融入實物的操作和測試中，涉及的先導(dǎo)課程包括“飛行器總體設(shè)計”“飛行力學(xué)”“空氣動力學(xué)”“制導(dǎo)控制原理”“計算方法”“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”等。突出實踐特色，設(shè)計軟硬件系統(tǒng)介紹和測試的教學(xué)內(nèi)容，建立學(xué)生對小型固體火箭的直觀認(rèn)知，形成與理論知識互補的實踐教學(xué)內(nèi)容。實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)置設(shè)計仿真、總裝測試、飛行試驗和試驗評估四個實踐環(huán)節(jié)。設(shè)計仿真實踐側(cè)重火箭總體參數(shù)化設(shè)計，體現(xiàn)出理論知識與實飛火箭的結(jié)合?？傃b測試實踐側(cè)重對火箭實物的功能檢測，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力、安全意識和流程規(guī)范意識。飛行試驗實踐安排在專業(yè)靶場集中實施，培養(yǎng)學(xué)生組織協(xié)調(diào)能力和團隊協(xié)作精神。試驗評估實踐側(cè)重數(shù)據(jù)分析和評估結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解釋現(xiàn)象、分析數(shù)據(jù)和總結(jié)歸納的能力。通過實踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生運用知識、創(chuàng)新實踐和組織協(xié)調(diào)的能力。實飛類實踐課程的設(shè)計思路如圖1所示。圖1實飛類實踐課程設(shè)計思路（二）教研結(jié)合的課程高階性探索引入教研相結(jié)合的模式，將科研項目中需要進(jìn)行飛行驗證的內(nèi)容與實飛項目相結(jié)合，突出實踐教學(xué)的高階性，讓學(xué)生了解該領(lǐng)域的研究前沿，提升學(xué)習(xí)興趣。對于準(zhǔn)備讀研的學(xué)生，可提前了解前沿技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，明確研究方向。對于即將參加工作的學(xué)生，面臨前沿技術(shù)的工程實現(xiàn)問題，通過實飛項目的實踐訓(xùn)練，將來能夠更好地在工作崗位上發(fā)揮作用，促進(jìn)在職業(yè)生涯上的成長進(jìn)步。在已完成的飛行試驗中，搭載了科研項目中需要驗證的圖傳設(shè)備以及目標(biāo)指示下無導(dǎo)引設(shè)備的末制導(dǎo)技術(shù)。（三）教學(xué)相長的課程改革模式探索教師的實踐經(jīng)驗大部分來自科研項目，在向教學(xué)轉(zhuǎn)換的過程中需要結(jié)合學(xué)生的能力進(jìn)行改造和教學(xué)設(shè)計，分三步走，如圖2所示。圖2學(xué)生、教師工作占比和課程改革進(jìn)程初期，為保證飛行試驗的成功率和可靠性，教師參與大部分的設(shè)計、測試和試驗工作，開放少部分與理論知識點結(jié)合緊密的環(huán)節(jié)，作為實踐教學(xué)的內(nèi)容，通常以參數(shù)形式開發(fā)給學(xué)生，也稱參數(shù)開放，例如開設(shè)總體參數(shù)校核、姿態(tài)控制律設(shè)計、開傘條件設(shè)計、火箭測試、發(fā)射和數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)，類似于給定一個通用的基礎(chǔ)案例。中期，進(jìn)一步開放設(shè)計環(huán)節(jié)，允許學(xué)生開展載荷功能、彈道設(shè)計、制導(dǎo)控制等側(cè)重軟件方面的創(chuàng)新實踐，例如搭載需要驗證的有效載荷（圖傳設(shè)備、多彈協(xié)同組網(wǎng)設(shè)備等）、在線軌跡規(guī)劃算法、固定或移動目標(biāo)末制導(dǎo)等技術(shù)驗證，使學(xué)生能夠深入了解火箭的工作原理和過程。后期，開放大部分設(shè)計環(huán)節(jié)，教師只把握決定飛行試驗安全、穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)布開放性、探索性飛行任務(wù)，可深入到硬件方面的改進(jìn)，例如新構(gòu)型飛行器、多級火箭、無人機火箭協(xié)同飛行等，讓學(xué)生自行設(shè)計方案，全面提升學(xué)生的實踐能力和組織能力。教師針對教學(xué)過程中學(xué)生普遍的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)教學(xué)設(shè)計，總結(jié)和突出重點與難點。目前，經(jīng)過兩個教學(xué)周期的實施，已走過初期階段，形成了以助推滑翔和傘降回收為主要功能的基礎(chǔ)案例，開始中期的探索和實踐，其中已完成圖傳試驗搭載測試和地面固定目標(biāo)的末制導(dǎo)試驗。結(jié)語本文基于當(dāng)前航天發(fā)射領(lǐng)域快速發(fā)展的現(xiàn)狀和對高科技專業(yè)人才的急迫需求，分析了開展實飛類實踐教學(xué)的必要性，根據(jù)教學(xué)火箭飛行試驗的特色，分析了實踐教學(xué)存在理論知識與實飛火箭結(jié)合不緊密，飛行可靠性、創(chuàng)新性、兼容性較弱，組織和實施飛行試驗的經(jīng)驗缺乏等困難與挑戰(zhàn)，介紹了實踐教學(xué)條件建設(shè)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，開展了