瞿智 徐胤勃 胡梅 陳建云 馮旭哲

[摘? ? ? ? ? ?要]? 宇航技術(shù)的發(fā)展與微小衛(wèi)星是面向全校新生的一門研討選修課，通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解國內(nèi)外衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，熟悉微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化技術(shù)在航天中的應(yīng)用及發(fā)展。為了讓學(xué)生更好地通過自主學(xué)習(xí)參與研討，精心設(shè)計了選題指南，學(xué)生自行分組自選課題，課后進行資料查閱和文獻閱讀，制作研討課件進行課題匯報，基于各個課題匯報，引導(dǎo)學(xué)生基于問題組織深入研討。通過匯報和研討，學(xué)生了解了各不同選題方向的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢，對其中感興趣的技術(shù)細節(jié)進行深入學(xué)習(xí)，達到了研討課的教學(xué)目的。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 宇航技術(shù);微小衛(wèi)星;研討;教學(xué)實踐

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）40-0094-03

一、新生研討課特點和宇航技術(shù)的發(fā)展與微小衛(wèi)星課程

大學(xué)一年級新生教育對于學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)態(tài)度、使學(xué)生融入專業(yè)學(xué)習(xí)、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。美國高校普遍開展了不同形式的新生教育，取得了良好的效果。新生研討課起源于美國，是美國大學(xué)在繼承“seminar”教學(xué)與科研相結(jié)合、獨創(chuàng)精神與學(xué)術(shù)自由相統(tǒng)一、注重協(xié)作的教學(xué)理念的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，面向大一學(xué)生的課程教學(xué)模式。21世紀初，國內(nèi)一批重點大學(xué)針對本科新生開設(shè)了新生研討課，進行探索性研究教學(xué)模式上的嘗試。新生研討課圍繞“主題”來實施，每門課程都有一個主題，主要根據(jù)學(xué)校特色或?qū)W科專業(yè)的發(fā)展規(guī)劃制定，課程教學(xué)以“討論”為基礎(chǔ)。新生研討課基本范式大致有學(xué)科導(dǎo)引式、前沿專題式、實踐探索式和跨學(xué)科式等多種。主要目的是引導(dǎo)新生學(xué)會研究，培養(yǎng)自身的創(chuàng)新精神和實踐能力，通過查閱資料，主動發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，逐步掌握研究的方法和思維方法，幫助新生明確專業(yè)學(xué)習(xí)方向，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，增強自信心，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)相互協(xié)作的團隊精神[1-9]。

宇航技術(shù)是一門新興的技術(shù)，隨著各航天大國的不斷發(fā)展，衛(wèi)星的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出新的變化：多功能集成化、網(wǎng)絡(luò)化、微小型化、發(fā)射多樣化、智能化和低成本經(jīng)濟化。近年來，微米納米技術(shù)、光學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)，在微小衛(wèi)星獲得成功應(yīng)用。微小衛(wèi)星能適應(yīng)快速研制、應(yīng)急發(fā)射的特殊需求，使其得到很多航天大國的重視。微小衛(wèi)星是航天器技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，就綜合應(yīng)用而言，傳統(tǒng)的大航天器已經(jīng)不能完全滿足需求，因此小型航天器、微航天器、納航天器、皮航天器以及由多顆型航天器等組成的分布式航天器已經(jīng)成為國際上航天器領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一[10-11]。

宇航技術(shù)的發(fā)展與微小衛(wèi)星是為我校大一新生開設(shè)的一門研討選修課程。課程的主要任務(wù)是簡要介紹航天技術(shù)基礎(chǔ)、微小衛(wèi)星技術(shù)、空間環(huán)境及對航天器的影響，通過研討，要求學(xué)生了解國內(nèi)外衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，熟悉微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化技術(shù)在航天中的應(yīng)用及發(fā)展，培養(yǎng)大一新生自學(xué)的能力，激發(fā)學(xué)生對宇航技術(shù)的興趣。

二、主講內(nèi)容和研討選題指南設(shè)計

（一）主講內(nèi)容

課程的重點是以學(xué)生為中心的研討，因此主講內(nèi)容主要簡要介紹航天技術(shù)基礎(chǔ)知識、微小衛(wèi)星技術(shù)和空間環(huán)境及對航天器的影響。

從恒星、行星、衛(wèi)星三者的比較引出衛(wèi)星的基本概念。航天技術(shù)的基礎(chǔ)知識主要包括衛(wèi)星軌道的基本概念和六要素、牛頓及其宇宙體系、宇宙速度、衛(wèi)星姿態(tài)的基本概念、衛(wèi)星設(shè)計中的問題;衛(wèi)星平臺主要包括通訊子系統(tǒng)、遙控遙測子系統(tǒng)、星上計算機子系統(tǒng)、姿態(tài)控制子系統(tǒng)、軌道控制子系統(tǒng)、星上電源子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)機構(gòu)子系統(tǒng)等;衛(wèi)星的有效載荷主要有相機、合成孔徑雷達、通信轉(zhuǎn)發(fā)器、科學(xué)實驗載荷、宇宙射線的探測載荷、微重力實驗載荷、電離層測量載荷、臭氧層測量載荷、電子偵聽載荷等。

微小衛(wèi)星由于其質(zhì)量輕、體積小、發(fā)射周期短、性能高、成本低等方面的諸多優(yōu)點，在通信、遙感、科研、軍事等各領(lǐng)域得到關(guān)注。微小衛(wèi)星是指質(zhì)量在1000 kg以下的人造衛(wèi)星，進一步細分，將100～1000 kg的微小衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星，將10～100 kg的微小衛(wèi)星稱為微衛(wèi)星，將1～10 kg的微小衛(wèi)星稱為納衛(wèi)星，將0.1～1 kg的微小衛(wèi)星稱為皮衛(wèi)星，將低于0.1 kg的微小衛(wèi)星稱為飛衛(wèi)星。因為大部分微小衛(wèi)星沒有推力系統(tǒng)，因此開發(fā)低價小型運載火箭，以適應(yīng)當(dāng)前微小衛(wèi)星的星座發(fā)展，是微小衛(wèi)星亟待解決的技術(shù)問題之一。另外，進一步研制微型推力系統(tǒng)，以增強微小衛(wèi)星靈活機動的軌道特性。此外，為保持星座位置，需要研制超輕型可展開且具有俯仰角度變化功能的太陽帆板，從而產(chǎn)生氣動阻力差。最后還要加快開放商業(yè)航天市場，吸收民間投資，讓微小衛(wèi)星觸手可及。

相對于地面而言，航天器必須適應(yīng)空間環(huán)境的影響和空間可用資源的約束。真空環(huán)境效應(yīng)包括壓力差、材料出氣和污染、材料蒸發(fā)、升華和分解、真空冷焊、真空放電;中性粒子環(huán)境效應(yīng)包括機械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng);等離子體環(huán)境效應(yīng)包括航天器表面充電、釋放靜電、輔助濺射和吸附污染物;空間輻射環(huán)境效應(yīng)包括總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng);空間碎片環(huán)境效應(yīng)主要是高速撞擊?？臻g環(huán)境對航天器影響最大的是輻射效應(yīng)，即航天電子系統(tǒng)運行在空間輻射環(huán)境下，受高能粒子撞擊或電磁輻射影響而導(dǎo)致性能下降或故障的情況，總劑量效應(yīng)幾乎影響到所有的航天器半導(dǎo)體材料，導(dǎo)致材料性能緩慢下降，直至系統(tǒng)失效，單粒子效應(yīng)主要對存儲器造成影響，導(dǎo)致邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)或器件的功能中斷。對于總劑量效應(yīng)的防護，柵介質(zhì)材料的工藝改進是MOS器件加固的重點;單粒子效應(yīng)的防護方法主要有三種：冗余設(shè)計、重構(gòu)刷新和高可靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（二）研討選題指南設(shè)計

首先通過回顧2020年的航天大事記，引發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)和探索的強烈興趣。2020年7月23日12時41分，“長征”五號遙四運載火箭在文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，火箭飛行約2167 s后，成功將我國首次火星探測任務(wù)“天問”一號探測器送入預(yù)定軌道，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。2020年7月31日上午，“北斗”三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成暨開通儀式在北京舉行，宣布“北斗”三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。2020年12月6日11時58分，“長征”三號B改進五型運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心將“高分”十四號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射獲得圓滿成功，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項完美收官。2020年12月17日1時59分，“嫦娥”五號返回器攜帶1731 g月壤樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，我國月球探測“繞、落、回”三步走規(guī)劃完美收官。

根據(jù)國內(nèi)外航天發(fā)展史上的各個重要事件，初步設(shè)計了研討選題指南，主要包含五類：（1）探測類：月球探測、火星探測、菲萊號彗星探測器。（2）衛(wèi)星類：風(fēng)云氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、高分衛(wèi)星。（3）星座系統(tǒng)類：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、QB50計劃、“星鏈計劃”與“鴻雁”。（4）載荷類：哈勃望遠鏡、超大孔徑分離式望遠鏡、空間機器人。（5）其他類：航天測控、天基網(wǎng)絡(luò)、太空作戰(zhàn)、商業(yè)航天。

研討要求：所有學(xué)生按4～5人分組，每組以PPT形式準(zhǔn)備，內(nèi)容主要圍繞航天技術(shù)及應(yīng)用開展，選題參考以上五類，但不限于以上題目。

考核方式：PPT匯報，研討發(fā)言交流，當(dāng)堂回答問題。

三、教學(xué)實踐與分析

51名學(xué)生分成九組在課下團隊合作，做好了精心準(zhǔn)備，在課堂上每組派一個代表一一進行了匯報，同組學(xué)生可以參與回答老師和其他同學(xué)提出的問題，老師也提問引導(dǎo)學(xué)生進行深入研討。

第一組：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程和“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成：空間段、地面段和用戶段，詳細分析了北斗主要業(yè)務(wù)：定位（三球定位）、報時、測速（多普勒效應(yīng)）和通信（短報文）的基本原理和應(yīng)用價值。最后通過手機下載“北斗助手/北斗伴”，實時顯示北斗衛(wèi)星正在為我們提供定位服務(wù)。

第二組：太空作戰(zhàn)。通過第六代戰(zhàn)爭——太空已成為交戰(zhàn)的重要戰(zhàn)場，引出太空作戰(zhàn)并闡述其原理規(guī)則、作戰(zhàn)樣式和沖突管理。戰(zhàn)爭模式多樣：太空保障戰(zhàn)、太空封鎖戰(zhàn)、太空破襲戰(zhàn)、太空防御戰(zhàn)、太空突擊戰(zhàn)和太空電子戰(zhàn);高端武器多樣：攻地衛(wèi)星、反導(dǎo)彈衛(wèi)星、反衛(wèi)星導(dǎo)彈、反衛(wèi)星激光和反衛(wèi)星衛(wèi)星。

第三組：“星鏈計劃”與“鴻雁”。諸多低軌通信衛(wèi)星星座提出的實現(xiàn)“為全球所有人提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)”的愿景，得到世界的廣泛關(guān)注。針對美國的“星鏈計劃”和我國的“鴻雁”，分別從是什么、有什么相關(guān)技術(shù)、目的和作用、潛在的軍事價值四個方面進行了剖析，探討了“星鏈計劃”與5G的比較優(yōu)勢與劣勢，大膽猜測軌道與頻譜才是其真正追求的價值以及“鴻雁”的發(fā)展歷程。

第四組：遙感衛(wèi)星。從衛(wèi)星云圖引出遙感衛(wèi)星的概念，分析遙感衛(wèi)星工作的基本物理原理，進一步分析衛(wèi)星軌道相關(guān)的開普勒三大定律、衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星坐標(biāo)確定、衛(wèi)星姿態(tài)和典型軌道，重點對遙感衛(wèi)星在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用進行了挖掘，特別是對天基紅外系統(tǒng)組成及其對洲際彈道導(dǎo)彈的預(yù)警功能進行了仿真視頻演示。

第五組：QB50計劃。QB50項目是歐盟2011年主導(dǎo)發(fā)起的國際合作項目，主要目標(biāo)是促進進入空間能力發(fā)展、開展大氣低熱層科學(xué)探測、驗證新型航天技術(shù)、實現(xiàn)廣泛航天工程教育。針對目前實際規(guī)劃發(fā)射的38顆衛(wèi)星進行了介紹，我國有四所高校參與了該項目。統(tǒng)計了QB50項目進展與國際立方星數(shù)據(jù)，最后對該項目任務(wù)特點進行了分析與總結(jié)。

第六組：月球探測。從科研價值、經(jīng)濟及資源價值、行星構(gòu)造、居住可能性等方面討論月球探測的意義所在。從早期的載人探月到現(xiàn)在的月球無人探測到中國的無人探測，展示了人類對月球探測的不斷努力，最后對月球探測器軟著陸技術(shù)進行了深入研討。

第七組：空間機器人。首先通過生動的視頻：蛇臂機器人、太空微型爬行機器人、壁虎機器人引出“什么是空間機器人”。再通過“空間機器人長啥樣”等問題，探討了空間機器人的各種形態(tài)。最后從研發(fā)歷史、特點用途和發(fā)展前景三個方面介紹了空間機器人，特別是結(jié)合人工智能暢想了未來空間機器人的無限可能。

第八組：高分衛(wèi)星。首先介紹國外高分辨率對地觀測衛(wèi)星，分析它們的特點。再詳細介紹我國的高分衛(wèi)星計劃和發(fā)展歷程，從傳感器分辨率、幅寬和波段等重要指標(biāo)方面，對比了高分系列衛(wèi)星的主要功能和性能。最后對“高分”十四號衛(wèi)星進行了解讀，它是高分辨率對地觀測光學(xué)立體測繪衛(wèi)星，可高效獲取全球范圍高精度立體影像。

第九組：中國載人航天?；仡?0世紀70年代中國就提出進行載人航天研究的歷史，1992年9月中央決策實施載人航天工程并確定了我國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，介紹了載人航天必備的八大系統(tǒng)。最后總結(jié)了中國載人航天精神——特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻，是當(dāng)代青年學(xué)習(xí)的榜樣。

針對每一組匯報，學(xué)生都表現(xiàn)出極大的興趣，在匯報課件中找到自己感興趣的問題向匯報的學(xué)生提問，得到匯報人及團隊同學(xué)的詳細解答，在一問一答之間所有學(xué)生都增長了新的知識。此外，對每一組的匯報，老師也會引導(dǎo)性提出問題讓全班學(xué)生思考，分別是：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的星間鏈路系統(tǒng)是如何讓星座實現(xiàn)“一星通，整網(wǎng)通”的？在太空作戰(zhàn)設(shè)想中，反衛(wèi)星衛(wèi)星包含哪些關(guān)鍵技術(shù)，有何難點？在“星鏈計劃”中，一箭60星的發(fā)射系統(tǒng)有什么神奇之處？它的軍事價值還有哪些可能？遙感衛(wèi)星的灰度圖片和彩色圖片分別是怎么形成的？它們各自的應(yīng)用場景是什么？QB50項目中我校參與的立方體衛(wèi)星是什么？有什么特點？探測月球的“嫦娥”五號探測器由哪些分系統(tǒng)組成？說說其中一個分系統(tǒng)的工作原理。誰了解“鳳凰計劃”？空間機器人的未來究竟會是什么樣的？“高分”十四號衛(wèi)星攜帶了哪些有效載荷？它們的性能指標(biāo)如何？

總體而言，每一名學(xué)生都積極參與了小組選題材料的準(zhǔn)備，精心制作了匯報課件，課下經(jīng)過多次演練，每組派代表進行了展示匯報，在研討環(huán)節(jié)，認真回答老師和同學(xué)提出的問題，表現(xiàn)良好。通過匯報和研討，學(xué)生了解了九個選題方向的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢，對其中感興趣的技術(shù)細節(jié)進行了深入探討。

四、結(jié)語

新生研討課是以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向的研討式教學(xué)課程，具有獨特的開設(shè)價值。從學(xué)生的實際需求出發(fā)去合理設(shè)計選題指南、開闊學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生自學(xué)和研討展示的興趣，學(xué)生研學(xué)與教師導(dǎo)學(xué)相結(jié)合，能夠提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和課堂參與的積極性，提升新生研討課的教學(xué)效果，讓教學(xué)內(nèi)容不照本宣科、讓課堂研討不沉悶乏味、讓大學(xué)新生不茫然失措，真正提升教學(xué)質(zhì)量。

“教育不是灌輸，而是點燃火焰”，這才是新生研討課的精髓所在，宇航技術(shù)的發(fā)展與微小衛(wèi)星是一門特別熱門的選修課，對宇航技術(shù)感興趣的新生尤其多，如何組織好學(xué)生更深入地研討，如何讓真正感興趣的學(xué)生都能學(xué)有所得，是我們需要不斷努力的方向。

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編輯 魯翠紅