时圣波 龚春林 苟建军 谷良贤 粟华 吴蔚楠

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“校企协同实践教学体系与模式师资培训”（220602608103420）

第一作者简介：时圣波（1985-），男，汉族，山东菏泽人，博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为飞行器总体及结构设计。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.013

摘  要：航天飞行器设计是航空宇航科学与技术相关专业本科生的专业核心课程，以培养“总师型”后备人才基本能力和素养为教学目标。航天飞行器设计涉及要素多、概念多、学科耦合强，强调综合性、系统性和创造性。该文讨论航天飞行器设计课程的四个主要教学难点，结合西北工业大学办学目标，详尽地阐述课程创新建设思路。课程在知识体系、教学方法、教学资源方面持续改革，构建“国防战略牵引-航天思政引入-工程案例分析-虚拟仿真强化”的创新教学模式，论述课程创新建设具体实施过程。通过多维度评价与反馈，课程创新建设效果良好，有力支撑总体专业骨干和总师后备人选培养。

关键词：航天飞行器设计；“总师型”人才培养；系统工程思维；航天特色思政；全过程评价

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0050-04

Abstract： Space Vehicle Design is a core course for undergraduates majoring in aeronautical and astronautical science and technology. The aim of the course is to cultivate the basic ability and quality of "chief designer" candidate talents. Space Vehicle Design involves many elements， concepts， and coupling multi-disciplines. Comprehensiveness， systematism and creativity can be emphasized in this course. The four main teaching difficulties of this course are discussed. The ideas of innovation construction are carefully explained in combination with the educational goals of Northwestern Polytechnical University. The knowledge system， teaching methods and teaching resources are persistently improved. An innovative teaching model of 'motivation of national defense strategy - introduction of aerospace ideological and political education - analysis of engineering cases - strengthening of virtual simulation' is constructed. The specific implementation process of innovation construction of this course is described. The innovation construction of this course has a good effect through multi-dimensional evaluation and feedback， which could strongly support the cultivation of the space vehicle conceptual design talents and chief designer candidates.

Keywords： Space Vehicle Design; cultivation of 'chief designer' talents; system engineering thinking; aerospace ideological and political education; whole process evaluation

发展航天、探索宇宙承载着人类几千年不懈的追逐，航天飞行器寄托着人类拓展时空运用的希望。航天技术代表高精尖技术的关键前沿，是衡量一个国家科学技术先进性和综合实力的重要标志。自20世纪50年代始，中国航天事业飞速发展，航天任务一直担当中国高新技术的排头兵，取得了一系列卓越成就，创造了多项行业辉煌和技术突破，带动了力学、材料学、自动控制理论、电子技术、计算机技术、推进技术和先进制造等学科的相互交叉和融合发展。“十四五”以来，在载人登月、火星探测、新一代载人飞船等国家发展战略牵引下，航天飞行器设计技术面临新的机遇和挑战。

航天飞行器包括有效载荷分系统、结构分系统、电源分系统、姿态控制分系统、轨道控制分系统、测控与通信分系统、热控制分系统、数据管理分系统、环境控制与生命保障分系统等，其系统组成复杂、任务多样化、可靠性要求高。航天飞行器设计主要讲述导弹、运载火箭、航天器“从无到有”的设计过程以及总体设计过程中采用的理念和方法，是飞行动力学、空气动力学、结构力学、控制理论和发动机设计等相关专业课和基础课的综合应用，同时又有其内在的逻辑、规律和方法，是解决飞行器总体设计问题的一门多学科交叉融合的系统工程性学科[1-3]。航天飞行器设计需要根据任务需求，构造总体及各分系统的可行性方案，涉及要素多、概念多、学科耦合强，面临很强的创造性和挑战性[4-5]。

航天飞行器设计是一项综合性强、创造性强的技术工作，设计结果依赖于设计师的经验和对全寿命周期约束条件的掌握程度，设计原则无法做到严谨性和唯一性。有必要构建多种模式的工程案例库、教学实训软件等实践工具，提高学生对知识点之间关联关系、数据传递与综合权衡的运用能力[6-8]。还有，在课程思政建设指导思想下，有必要深入挖掘航天特色思政，有机融入到课程理论教学中，形成协同效应，服务立德树人根本任务[9-11]。本文以西北工业大学航天飞行器设计课程多年来的建设过程为例，开展了面向“总师型”人才培养的总体设计课程创新建设探索与实践研究。

一  航天飞行器设计课程创新建设的必要性

西北工业大学以培养具有家国情怀、追求卓越、引领未来的“总师型”领军人才为办学目标，西北工业大学航天学院是航空宇航科学与技术国家一流学科建设的主体学院，航天飞行器设计课程是航天学院人才培养体系的核心环节。自20世纪60年代以来，教学团队历经三代传承，始终紧跟国家国防重大需求，践行立德树人、科研育人的教学理念。1960至1980年，引入苏联导弹设计教学内容，形成了以防空导弹为原型的导弹总体设计教学内容体系。1980至2004年，增加巡航导弹设计内容，形成了有翼导弹总体设计教学内容体系。2004年起，课程持续融入国内外先进导弹、系统工程理论和先进设计方法等内容，完善了实践教学体系，建设了课程网络教材和网站，入选教育部2006年度“国家精品课程”建设，建设期5年。2016年起，响应本科专业大类建设需求，贯通运载火箭、航天器等空间飞行器设计内容，形成航天飞行器设计完整课程体系。

航天飞行器设计课程存在的主要教学难点如下：①课程与相关先修基础课程之间的关联关系需要强调与提炼，总体设计课程是对飞行力学、空气动力学、飞行器结构力学、自动控制原理和发动机设计基础等专业基础课程的综合应用，如何明确与基础课程之间的有机关联，总结出总体设计课程的学科规律和逻辑是难点之一。②飞行器是包含多个分系统、多个功能元器件的复杂系统，总体设计课程涉及概念较多，如何生动、形象地阐述各概念的内涵与外延，构建各技术指标与总体性能之间的权重关系，是难点之二。③航天飞行器总体设计，需要根据目标任务和战术技术要求，构建各分系统的主要技术途径和方案构想，如何将设计原则和设计思想理论化、逻辑化，并提出创新和拓展接口，是难点之三。④如何构建教师可实施、学生可实践的教学环节[12]，提高学生的主动性，减轻学生的畏难情绪，是难点之四。

二  航天飞行器设计课程创新建设思路

航天飞行器设计课程是西北工业大学极具“三航”特色的飞行器总体设计类课程，课程团队始终遵循以学生为中心、以目标为导向、以科研成果为案例的教育教学理念，坚持“不忘初心、牢记使命、公诚勇毅、三实一新”的思想主线。多年来持续整合教学内容，融合多种教学模式，积极融入航天特色思政元素，通过“工程案例库”+“航天总师大师课”+“航天特色思政”等模块的创新设计，提高学生对总体设计理论的理解和实践能力，培养学生严谨的学习态度和崇高的航天报国情怀，实现航空航天工程领域总体设计师的育人目标。主要建设思路如下。

（一）  立体重构整合教学内容，形成多维度知识结构体系

构建战术技术指标论证-总体方案构想-分系统方案设计-性能分析的模块化知识体系，梳理航天飞行器任务的分解-综合-再分解-再综合的设计过程。从设计原理和方法上，各类航天飞行器有相似之处。比如，导弹和运载火箭，从宏观上讲，都是将有效载荷运输到目标附近，导弹是将战斗部运送到目标附近，运载火箭是将航天器运输到目标轨道上。因此，两者在级数选择、燃料分配、分系统选型等设计方法上有相似之处。但是，为了躲避拦截，导弹需要大机动、良好的突防能力和隐身性能，这些任务需求是和运载火箭的不同之处。本课程立体重构了导弹、运载火箭、航天器三类对象的教学内容，详细阐述了导弹的总体设计内容，构建了模块化知识体系。在运载火箭、航天器部分，重点讲解两类对象的任务分析以及与导弹设计思想、设计方法的差异。

（二）  构建多种形式的工程案例库和实训内容，提升知识运用和创新能力

践行科研促教学、科研成果反哺教学的理念，教学团队长期围绕国防重大需求，开展飞行器总体方案设计、多学科优化方面的科研工作，取得了一系列研究成果。基于最新研究成果，持续更新课程教学内容，构建了知识点级、分系统级、总体方案级等多层级、多样式工程案例库，提升学生对设计理论的理解程度和实践创新能力。例如，在导弹主要参数设计环节，针对导弹质量、发动机推力、弹翼参考面积三个主要参数，分别设置了三个工程案例，根据战术技术要求，利用相关理论和微分方程，定量地确定导弹的三个主要参数。另外，在导弹综合性能评价环节，设置了总体方案设计案例，综合运用各分系统设计原则，串联各知识点，给出导弹的弹道、气动、结构、动力、制导和控制等各分系统总体方案。

（三）  开展航天总师大师课，提高总体设计理论的工程实践能力

航天飞行器设计是工程性、实践性较强的学科，工业部门设计师从飞行器研制具体实施角度，重新解读总体设计原理和方法，对课程教学内容深化大有裨益。在课程关键环节，邀请了航天科技集团一院、航天科技集团八院、航天科工集团三院和中国兵器工业203研究所等相关国防工业研究所总师，以线下、线上相结合的方式，开展相关设计内容的课堂教学，提高学生对航天飞行器总体设计过程中诸多指标之间相互影响、相互矛盾的认识能力，提升对总体设计过程中“综合”与“权衡”设计思想的理解能力。例如，在导弹速度指标设计时，从突防与生存的角度，速度越大越好，速度越大意味着导弹的气动阻力越大，另外，速度增加还会导致气动热急剧增加。因此，速度设计时，需要折中考虑突防能力、气动阻力、气动热等性能，给出导弹速度的可行设计域。总师们从工程实际出发，呈现了丰富、生动的工程案例教学。

（四）  融入航天特色思政教育内容，培育总师育人文化

培养具有家国情怀、追求卓越、引领未来的“总师型”领军人才是航天飞行器设计课程的教学目标，在总体设计理论讲授时，有机融入航天特色思政元素，引导和培育“总师”育人文化。中国航天事业发展60余年，创造了一系列辉煌成就，可以挖掘出许多有特色、生动、深刻的思政元素。课程以西北工业大学航天学院牵头研制的某型大机动靶标飞行器成功试飞为切入点，培养学生敢于立大志、明大德、成大才、担大任的人生观和价值观。以“南海争端”“俄乌战争”等时事热点为切入点，培养学生的爱国热情和航天报国的情怀。以中国航天事业和航天教育的奠基人、西北工业大学航天学院开拓者陈士橹院士先进事迹为切入点，培养学生“择一事、终一生”的执着信念和科学家精神。以中国航天之父钱学森先生赤胆忠诚的爱国情怀和严谨求实的科学精神为切入点，阐述爱国与传承的内涵，培养学生敢为人先、开拓创新的中国航天精神。

三  航天飞行器设计课程创新建设实施过程

基于上述建设思路，针对教学难点和问题，本课程在知识体系、教学方法、教学资源方面持续改革，构建了“国防战略牵引-航天思政引入-工程案例分析-虚拟仿真强化”的教学模式（图1），有效地解决了总体设计课程与基础先修课程的关联关系、具体指标与总体性能的权重关系、设计理论逻辑化和实践化等课程难点。

（一）  确定知识目标-能力目标-素养目标的课程教学目标

掌握系统工程方法论、理解航天飞行器基本原理和总体设计方法、领会具体指标与总体性能的关联关系，是课程的知识目标；具备运用系统工程思想和多学科设计方法，开展飞行器任务分析、总体方案选型、分系统主要参数设计和系统综合性能评估，是课程的能力目标；培养解决工程问题的系统性思维、形成辩证的研究思维和严谨的科研素养、传承“择一事而终一生”的航天报国精神，实现航天飞行器“总师型”育人目标，是课程的素养目标。

（二）  构建需求论证-总体构想-方案设计-性能评估-实践赋能的多维度知识体系

科学权衡航天飞行器设计涉及的导弹、运载火箭、卫星三个研究对象的广度和深度，梳理出飞行器总体设计的共性原理和方法，以导弹为主要对象。从需求分析与战技指标论证为切入点，提出总体方案构想和主要技术途径，在主要设计参数过渡下，开展分系统方案选型和其他细节参数设计，以命中概率为评价指标，综合评估设计合理性，设置多种模式的实训和实践环节，强化对知识体系的掌握和理解。按照此思路，采用案例组织知识点，将庞杂的设计知识体系结构化，将抽象的设计方法和原理具象化，从而构建课程的多维度知识体系。

（三）  建设配套教材-课程视频-实训案例-教学软件多模式高质量教学资源

紧跟飞行器发展前沿和人才培养需求变化，遴选各类飞行器设计共性和代表性设计理论、方法和内容体系，先后编制了《有翼导弹总体设计》（1980）、《导弹总体设计原理》（2004）、《航天飞行器设计》（2016）、《现代导弹总体设计原理》（2023）4部教材。编制的教材获得了“十五”“十二五”“十四五”工业和信息化部规划教材，同时作为国内多所高校飞行器设计相关专业本科生的教材以及从事飞行器总体设计工作的科研人员的参考用书，受到高度好评。依托国家精品课程建设项目，课程还建设了课程网站、电子教案、课程视频和教学视频等多种电子资源。引入最新科研成果，将教学团队科研实践中开发的飞行器总体设计软件精简形成教学版软件，学生利用教学版软件可开展综合性实践和训练环节。

（四）  形成工程问题引导-实训案例讲授-师生互动分析-课堂测试强化-虚拟仿真提升的创新教学方法

由导弹引出飞行器总体设计理论的共性内容，按照现代飞行器系统工程组织章节和知识结构，遴选若干工程问题引导出课程核心内容，采用实训案例组织知识点，将抽象的设计理论和原则具象化，进行重点讲授。对部分教学环节，采用教师引出，由学生小组讨论、分析讲授，教师点评、总结的模式。设置重点知识点课堂测试，设计综合知识大作业，强化知识训练能力。利用教学版总体设计软件，开展综合性实训，提升知识综合和创新能力。

（五）  塑造综合能力导向的知识理解-实训考查-综合答辩全过程评价方式

采用基础知识熟记理解、设计理论拓展应用、设计方法创新提升的闭卷考试，考查学生的知识掌握程度及综合分析能力。采用课程实训作业，考核学生利用设计理论解决工程问题的应用能力和计算分析能力。采用综合项目论文答辩的形式，引导学生进行飞行器总体设计综合实践和创新提升能力。基于多种考核方式，形成以塑造学生综合能力为导向的航天飞行器设计全过程评价模式。

四  航天飞行器设计课程创新建设效果评价与反思

（一）  增强了课堂活力，激发了专业兴趣

通过航天飞行器发展史和“航天故事”熏陶，激发了学生“航天报国”的热情和对飞行器设计相关专业的学习兴趣。通过引入国内外飞行器研发案例以及设置小组讨论、生讲师评等环节，增强了课堂活力，学生课堂抬头率和参与度显著提升。

（二）  培养了总体设计理论素养，塑造了系统工程思维

课程系统地讲授了航天飞行器从无到有的研发过程以及总体设计的理论和方法，学生反映通过课程学习，真正掌握了系统工程设计思想和多学科设计方法，理解了飞行器总体设计与相关专业基础课程之间的有机关联，积累了扎实的总体设计理论素养。

（三）  培育了“总师型”育人文化，缩短了总体设计人才培养周期

通过多维度知识体系学习和多模式教学方法实践，学生掌握了由工程问题引导、实训案例剖析、师生互动理解以及实训作业强化等环节贯穿的飞行器总体设计、系统综合性能分析的研发过程，形成了飞行器总体设计基本能力，培育了未来“总师型”人才奋斗目标。工业部门普遍反映缩短了人才培育周期，大批学生迅速成长为总体专业骨干和总师后备人选。

五  结束语

航天飞行器总体设计是一项综合性强、技术性高、创新性突出的技术工作。随着近年来航天飞行器的快速迭代和发展，需要传递符合现代和未来飞行器发展的设计理念和设计方法。课程拟邀请国内工业部门总设计师和相关高校专家，召开多种形式的专题研讨会，进一步探讨当前国内外航天飞行器发展新趋势和总体设计理论新动态。根据研判，更新课程主要知识点及其新内涵，丰富知识点支撑案例，构建适应现代航天飞行器新技术特征的理论体系和教学方法。

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