羅亞中 李俊峰 高 揚 李九天

?(國防科技大學空天科學學院，長沙410073)

?(清華大學航天航空學院，北京100084)

??(中國科學院空間應用與工程技術中心，北京100094)

??(國防科技大學研究生院，長沙410073)

創(chuàng)新能力和實踐能力是研究生培養(yǎng)的核心目標，近年來的實踐表明科技競賽活動是推動研究生能力培養(yǎng)的有力抓手[1]。航天器軌道動力學是航天領域的一門基礎學科，相關課程教學在航天專業(yè)人才培養(yǎng)中有著重要地位[2]。圍繞國內航天專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，依托中國力學學會，清華大學、中國科學院、國防科技大學等單位自2009 年發(fā)起全國空間軌道設計競賽(China Trajectory Optimization Competition, CTOC)，迄今已成功舉辦10 屆，并在舉辦過程探索形成依托這一“專家型”競賽培養(yǎng)研究生創(chuàng)新人才的“4C 模式”，有力推動了航天專業(yè)人才培養(yǎng)工作，帶動我國空間軌道設計達到世界領先水平，在國內外取得了廣泛的社會影響[3-5]。

1 全國空間軌道設計競賽實踐歷程

軌道動力學是天體力學在航天領域的具體應用，有著悠久的發(fā)展歷史。軌道作為航天任務的核心要素之一，其設計創(chuàng)新對航天任務有直接引領作用。20世紀90 年代以來，隨著世界范圍內的航天技術迅猛發(fā)展，特別是第二輪國際深空探測熱潮的興起，軌道設計創(chuàng)新需求日益迫切。為探索新型軌道設計理論與方法，歐洲航天局面向全球專業(yè)研究機構于2005年發(fā)起了國際空間軌道設計競賽，參賽單位包括美國噴氣推進實驗室、俄羅斯科學院、法國國家空間中心、德國宇航中心等國際一流航天機構及相關院校[6]。競賽引發(fā)了世界范圍的研究熱潮，推動了空間軌道設計技術研究[7-9]。

2008 年前后，隨著神舟七號成功進行航天員出艙活動，中國航天也將目光投向更加深邃的太空。為了更好地服務于國家探月工程和深空探測需求，借鑒國際空間軌道設計競賽，2009 年，清華大學依托中國力學學會，聯(lián)合中國科學院空間應用與工程技術中心、國防科技大學等發(fā)起CTOC，以期從創(chuàng)新人才培養(yǎng)和基礎研究等方面推動我國空間軌道設計能力的提升[3]。

CTOC 與傳統(tǒng)的學科競賽不同，復雜的空間軌道設計題目沒有標準答案，出題方也難以得到最優(yōu)解，需要參賽者具有較高的專業(yè)積累。在1 到2 個月的時間段內，參賽隊伍可以采用所有可能的人力、物力以及沒有任何限制的技術手段對問題進行求解。對于各參賽隊設計結果，主辦方能夠準確地進行檢驗。歷屆CTOC 題目均給出了可以直接客觀評價的設計指標，主辦方根據(jù)設計指標即可評價各參賽隊設計結果，并形成客觀公正的排名。

迄今為止，CTOC 已經成功舉辦了10 屆。先后有清華大學、國防科技大學、南京航空航天大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校，以及中國科學院空間應用工程與技術中心、中國科學院國家空間科學中心、西安衛(wèi)星測控中心、中國航天科工集團二院等航天任務部門獲得比賽冠軍并為舉辦競賽做出過貢獻。參賽團隊覆蓋了全國航空宇航科學與技術學科學位授予單位，并輻射到了歐洲航天局以及意大利、德國、美國等國高校和研究所[4]。

2 通過 “專家型” 競賽培養(yǎng)研究生的 “4C模式”

軌道設計競賽是一種面向特定專業(yè)人群的 “專家型” 競賽，競賽題目及設計方案均有很顯著的創(chuàng)新性，一個體現(xiàn)是國際和國內競賽設計結果以專輯形式在航天領域高影響力國際期刊Acta Astronautica上發(fā)表[6,10]。從競賽組織的情況和競賽內容來看，該競賽不只是針對在校研究生，參加競賽的團隊很多是航天機構的一線工程師。該競賽的目的是推進航天領域的科技進步，培養(yǎng)個人的同時更重在培養(yǎng)研究團隊。但是從實際參賽情況來看，來自高校的團隊占據(jù)了很大比例，這也和實際科研情況類似。如何利用這類“專家型”競賽進行研究生培養(yǎng)，必然不同于數(shù)學建模大賽、“挑戰(zhàn)杯” 創(chuàng)新設計大賽、大學生機器人大賽等面向廣泛學生群體的科技競賽，需要對其培養(yǎng)過程一般性規(guī)律進行深入分析，探索基于挑戰(zhàn)性專業(yè)競賽研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[5]。

我們在探索中逐步梳理了航天專業(yè)研究生培養(yǎng)中的問題，并通過競賽活動組織形式的創(chuàng)新來解決問題：

一是研究生綜合實踐與創(chuàng)新能力薄弱問題。隨著我國航天重大工程的持續(xù)推進，畢業(yè)研究生工程背景不熟悉、綜合實踐水平不高、創(chuàng)新能力有待加強等問題逐漸在用人單位顯現(xiàn)。

二是研究生課程教學內容與航天工程實際脫節(jié)問題。課程體系、教學內容等未能及時跟上國內外航天工程的發(fā)展形勢，畢業(yè)生工作后需要在航天系統(tǒng)分析、空間任務規(guī)劃、軌道設計優(yōu)化等方面“補課”。

三是研究生培養(yǎng)開放合作育人力度不夠問題。航天領域因其在國防科技應用上的敏感性，院校與用人單位、軍隊與地方、國內與國外等方面深度專業(yè)化的學術交流與技術合作少，導致研究生學用不一致、視野不夠開闊等問題突出。

針對上述問題，我們在舉辦競賽過程中逐漸凝練形成依托競賽培養(yǎng)創(chuàng)新人才的 “4C 模式”(如圖 1 所示)：以歷屆競賽形成的極具專業(yè)挑戰(zhàn)性的賽題 (challenging-topic) 為牽引，通過強化科研過程訓練和協(xié)同攻關能力，大幅提升研究生創(chuàng)新能力(creativity)；結合競賽成果開展專業(yè)課程綜合提升(course-promotion)，全面提升專業(yè)教學能力；通過競賽拓展的交流平臺和競賽成果轉化，深化軍民融合育人(cooperation)，提升培養(yǎng)工作的針對性。

圖1 “4C” 模式及主要解決的人才培養(yǎng)問題

3 “專家型” 競賽的組織方式

“4C 模式” 中挑戰(zhàn)性賽題及競賽活動是 CTOC的主題和靈魂?？紤]到要發(fā)揮競賽的引領作用，必須緊貼國家航天任務實際需求，通過前沿且極富挑戰(zhàn)性的競賽題目才能將人才培養(yǎng)的目標落到實處；其次，考慮到空間軌道專業(yè)難度很大、綜合性強，將CTOC的參賽主體定位于研究生，旨在以賽促學，以賽促研，并將培養(yǎng)學生的科學精神作為競賽的主要目標之一；此外，競賽組織方還力求通過新穎的組織形式，保持競賽的活力和吸引力。

3.1 結合國家任務需求，設計有高度挑戰(zhàn)性的競賽題目

愛因斯坦認為：“提出問題往往比解決問題更重要······新問題的提出需要創(chuàng)造性的想象力，往往標志著科學的真正進步?！盋TOC 就將賽題命制作為競賽組織的核心工作，重點圍繞我國未來航天任務需求，命制高水平賽題。賽題密切結合學科前沿，切合研究生能力、難度又足夠大，創(chuàng)新空間廣闊。

如 2010 年第二屆賽題 “火星與多目標小行星探測” 直接源于我國正規(guī)劃論證的未來火星探測任務[11]。第五屆賽題“載人小行星探測任務”，探測器采用新型核電推進[12]。競賽結果可為我國未來載人小行星探測方案提供重要參考。競賽產生的最優(yōu)設計方案出發(fā)質量僅為53.6 噸，總飛行時間不到300天，超過美國 2009 年星座探索計劃時的方案論證水平。

3.2 培養(yǎng)科學精神，堅持客觀實證的評價體系

競賽題目緊貼國家任務需求，同時，競賽也強調培養(yǎng)科學精神。競賽采取本屆冠軍作為下屆出題方的方式，為競賽題目的創(chuàng)新發(fā)展提供源源不斷的動力。CTOC 歷屆題目從一般的小天體采樣返回、多目標行星探索問題，不斷引入捕獲小行星、飛出太陽系、小行星表面巡游、編隊控制、星座設計、木星磁場探測等新問題[4]。每一屆賽題都是全新的挑戰(zhàn)，蘊含新的科學問題，不斷激勵研究生的科學探索精神。

CTOC 競賽評價指標客觀唯一。如第五屆賽題在滿足全部約束前提下，以探測器出發(fā)質量最小為唯一評價指標[12]。歷屆比賽主辦方提供統(tǒng)一驗證和指標計算程序，數(shù)據(jù)和程序對所有參賽隊均是公開的，指標計算和排名是客觀可實證的。除依托中國力學學會進行競賽信息傳播、頒獎及研討會組織外，沒有其他行政機構參與，基本形成了學者自治的一種競賽組織模式，總體上體現(xiàn)公正、開放和科學的特色。

3.3 服務創(chuàng)新需求，突破傳統(tǒng)專業(yè)競賽組織形式

在挑戰(zhàn)性賽題牽引和保證下，突破傳統(tǒng)學科競賽組織形式，CTOC 成為必須依托團隊協(xié)作才能完成的全開放式新型專業(yè)競賽。

團隊協(xié)作。競賽題目專業(yè)難度很大、綜合性強，必須通過團隊協(xié)作才能完成理論分析、方案設計、算法實現(xiàn)、仿真驗證全過程。為進一步促進創(chuàng)新，競賽不限定隊員人數(shù)和資歷，鼓勵跨單位、跨年級、跨學歷層次組隊。

資源開放。競賽題目前沿性強，完全無現(xiàn)成的解決方案。CTOC 采取開放式競賽時間，2 個月內完成即可，給予參賽隊充分的創(chuàng)新時間裕度。競賽不限定參賽資源，從理論突破到技術路線創(chuàng)新，從引入先進算法到采取新興計算工具，給予參賽隊充分的創(chuàng)新空間。

難度分級。由于軌道設計任務學科專業(yè)性強、難度大，前五屆競賽的參加隊伍在30 支左右，且參加范圍基本固定。為了擴大競賽的覆蓋面，給競賽注入新的活力，組織方經過多方討論，決定采用設置甲組和乙組兩套難易程度有所區(qū)別的方式，吸引非專業(yè)參賽隊伍參加，后續(xù)競賽參賽規(guī)模擴大了將近1 倍。

3.4 依托競賽，打造高端學術交流平臺

CTOC 歷屆競賽均舉行隆重的頒獎典禮及專題研討會，先后在北京、西安、貴陽、南京、揚州、深圳等地召開[4,13-16]。專題研討會上，通過優(yōu)秀方案和創(chuàng)新設計思想的深度交流研討，各參賽團隊相互切磋技藝，共同提高水平。此外專題研討會邀請航天和力學領域院士、知名專家參會，他們對參賽團隊的創(chuàng)新設計給予了高度贊譽[13-16]，并分享相關領域最新進展和國家航天任務發(fā)展方向，顯著擴大了研究生學術視野。同時，通過競賽聚集了航天任務部門、科研機構、院校等不同領域的一流專家學者，為研究生提供了近距離學習交流、并了解用人單位需求的寶貴機會。

4 以 “專家型” 競賽推動研究生培養(yǎng)的具體做法

4.1 競賽引入研究生培養(yǎng)全過程，著力提升研究生創(chuàng)新能力

經過系統(tǒng)研究，我們將競賽引入研究生培養(yǎng)全過程，旨在提升研究生創(chuàng)新能力。

加強科學研究全過程訓練。依托賽題，通過大作業(yè)、專項培訓、競賽輔導等，對研究生進行“熟悉任務背景 — 分析問題 — 確定思路 — 選擇技術路線—計算實現(xiàn)—結果分析—尋優(yōu)迭代—驗證—研究報告撰寫”全過程的科學研究訓練，將能力培養(yǎng)落實為有章可循的規(guī)定動作。歷時1～2 個月參與競賽的過程，更是上述訓練過程的一個集中強化實現(xiàn)。這一做法成效顯著，特別是對于低年級研究生訓練效果尤為突出。對于剛入門的研究生，往往通過一次競賽活動，就能具備較好地獨立承擔軌道設計相關研究課題的能力。

引導研究生高起點切入學科前沿。軌道競賽一個顯著特點是賽題本身的創(chuàng)新性，對研究工作有很好的牽引性。通過賽題分解、拓展，形成研究方向“指南”，幫助研究生以創(chuàng)新項目和學位論文選題的形式開展研究，從而準確、快速切入航天工程急需的和前沿的技術領域，在提升培養(yǎng)質量的同時，顯著增強培養(yǎng)針對性和吸引力。清華大學、國防科技大學等圍繞歷屆賽題所帶動的小推力軌道優(yōu)化、引力輔助、交會序列優(yōu)化、星座構型設計等前沿方向，培養(yǎng)了一大批碩士、博士研究生。

4.2 利用競賽成果，開展卓有成效的課程教學提升

我們及時將競賽形成的工程模型、設計方法、優(yōu)化算法和工具軟件引入教學，推動課程改革。

優(yōu)化課程體系。清華大學、國防科大、中科院大學、西工大等高校結合競賽成果建設了小行星探測、多碎片清除等新型航天任務設計案例，對“航天任務分析與設計”、“深空探測軌道力學”、“航天器軌道動力學”、“航天器交會對接技術”等課程進行教學內容調整，出版了廣受業(yè)界好評的“深空探測動力學與控制”、“航天軌道力學理論與方法”等系列研究生教材。

創(chuàng)新教學方式方法。國防科技大學等積極整合競賽成果開發(fā)了 “航天任務規(guī)劃” 等 4 個虛擬仿真實驗項目，入選了2018 年度國家級虛擬仿真實驗教學項目，建設了“航天器軌道力學” 等慕課課程。有眾多高校依托競賽成果，深入開展了案例式教學、翻轉課堂等教學方式改革。

4.3 以競賽為紐帶和平臺，深化產學研合作軍民融合育人

從人才培養(yǎng)需求出發(fā)，充分借力競賽拓展交流渠道、打造交流平臺，持續(xù)深化軍民融合育人。

深化學術交流和科研合作。結合競賽的專題研討會以及伴生的 “全國航天飛行動力學技術大會”、“全國航天動力學與控制青年學者論壇” 等全國性學術會議，有效增進院校之間、軍地之間、校企之間的學術交流與人才培養(yǎng)合作。同時持續(xù)推動競賽成果應用轉化，先后為一系列載人航天、“嫦娥”工程等國家重大任務提供重要參考，有效帶動科研合作。

有力拓展人才培養(yǎng)合作領域。西安衛(wèi)星測控中心、北京航天飛行控制中心等工程任務部分深度參與了競賽活動，為人才培養(yǎng)提供了很好的需求牽引。通過競賽及相關活動帶動，清華大學、國防科技大學等先后與多個軍隊單位和國防科技單位簽署人才培養(yǎng)合作協(xié)議，培養(yǎng)了一大批軌道設計方向高素質研究生，在多個國家重大航天任務中發(fā)揮了重要作用。

5 結論

自創(chuàng)辦之初起，CTOC 就得到我國航天領域和高等教育領域的充分認可和廣泛支持，僅競賽核心活動，就得到王永志、孫家棟、李濟生、余夢倫等航天領域知名院士的親自指導和參與，李家春院士、鄭曉靜院士、戴世強教授、周哲瑋教授等力學大家、教育家一直給予競賽大力支持和高度評價[4]，原中國力學學會理事長李家春院士評價競賽[14]：“這一系列活動的舉辦一定能在培養(yǎng)杰出青年人才方面發(fā)揮更大的作用?！?CTOC 受到國內航天領域研究生和導師的高度認可和廣泛參與，參賽隊伍覆蓋國內全部航空航天院校及主要研究機構，已成為我國航天領域研究生培養(yǎng)的重要實踐平臺。該競賽模式被周培源全國大學生力學競賽、中國研究生未來飛行器設計大賽等所借鑒參考。競賽相關活動引起國內廣泛關注，先后被新華社、中央電視臺、人民網、解放軍報社等眾多媒體廣泛報道，百度搜索條目超過260萬條。

作為“4C” 模式的提出者和踐行者，清華大學、國防科技大學培養(yǎng)了一批創(chuàng)新成果突出、深受用人單位好評的研究生。近5 年，兩校在軌道設計優(yōu)化方面共培養(yǎng)了4 名航空宇航科學與技術學科全國優(yōu)博論文獲得者，研究生在讀期間獲得軍隊科技進步一等獎等重要科技獎勵，經過競賽鍛煉培養(yǎng)的畢業(yè)生陸續(xù)成為各自崗位的骨干，在載人航天交會對接、“嫦娥四號” 月面著陸等重大航天任務中發(fā)揮了關鍵作用?！?C” 研究生培養(yǎng)模式先后被北京理工大學、南京航空航天大學、西北工業(yè)大學等兄弟高校借鑒并取得良好培養(yǎng)效果。

作為人才培養(yǎng)成效的一個集中體現(xiàn)，在2019 年美國噴氣實驗室主辦的第十屆國際空間軌道設計競賽中，以研究生為主體的國防科技大學和清華大學參賽隊分別獲得冠、亞軍[17]，實現(xiàn)中國參賽隊的首次奪冠，打破歐美參賽隊伍對該賽事冠軍的壟斷。國際同行對中國參賽隊實力給予了高度認可，要求學習中國參賽隊的解決思路和方案[18]。新聞聯(lián)播、人民日報公眾號報道了這一成績，新華社[19]、解放軍報[20]對奪冠歷程進行了深度報道與解讀，高度評價了我國空間軌道設計領域青年科技隊伍的創(chuàng)新能力。軌道競賽以其獨有的魅力在研究生培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用[19-21]，不僅培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實踐能力，更是培養(yǎng)了團隊協(xié)作精神和攻堅克難的執(zhí)行力，也增強了他們攀登世界科技高峰的信心。