中國載人航天工程總設(shè)計師 周建平院士

全國空間軌道設(shè)計競賽于2009 年創(chuàng)辦,迄今已成功舉辦十屆,這是一項非常有創(chuàng)意,并對實際航天工程有重要支撐價值的競賽活動。我非常欣慰地看到國內(nèi)主要航天院校和研究機構(gòu)以該競賽為平臺,在推動軌道設(shè)計技術(shù)進步和人才培養(yǎng)方面取得了顯著的成效。

軌道是航天任務(wù)設(shè)計核心要素之一,軌道專業(yè)也是航天部門的重要專業(yè)。軌道設(shè)計競賽以正在論證的或新概念航天任務(wù)為背景,從中提煉具有挑戰(zhàn)性的軌道設(shè)計問題,以一種全開放形式由參賽團隊歷時1–2 個月完成求解。競賽比拼的是參賽團隊的專業(yè)實力,體現(xiàn)出了很高的專業(yè)水平和創(chuàng)新性。這項競賽活動的開展有效帶動了多目標(biāo)探測、電推進、編隊/星座等方面軌道設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,為提升我國載人航天、深空探測等重大航天任務(wù)的軌道設(shè)計水平做出了積極貢獻。

這項競賽活動以其獨特魅力吸引了高校的青年老師和研究生參與,同時航天機構(gòu)的一線工程師參與度也很高,在我國航天領(lǐng)域青年人才培養(yǎng)中發(fā)揮了獨特作用。一批年輕學(xué)者、工程師與研究生通過參與競賽,以同臺切磋技術(shù)的形式,鍛煉了解決復(fù)雜問題的能力,開拓了研究思路,提升了團隊協(xié)作能力,加強了學(xué)術(shù)交流溝通。我很高興地看到西安衛(wèi)星測控中心、中國科學(xué)院、國防科大等多支參與載人航天工程軌道研究和設(shè)計的優(yōu)秀青年骨干都在軌道競賽中得到了不斷的提高。

由于全國空間軌道設(shè)計競賽“十年磨一劍”的活動帶動,我國主要軌道設(shè)計團隊的綜合創(chuàng)新能力得到明顯增強,國際競爭力不斷提升,在2019 年美國宇航局主辦的第十屆國際空間軌道設(shè)計競賽中,國防科技大學(xué)和西安衛(wèi)星測控中心聯(lián)合代表隊實現(xiàn)了中國參賽隊伍的首次奪冠,打破歐美團隊對該賽事冠軍的長期壟斷,產(chǎn)生了重要社會影響。我對這一成績的取得表示衷心的祝賀,這也是中國航天技術(shù)發(fā)展進步的一個縮影,表明中國空間軌道設(shè)計能力已經(jīng)邁入國際一流水平行列。

本書是這項競賽活動開展十周年的一個階段總結(jié),回顧了競賽自創(chuàng)立以來的發(fā)展歷程,展示了歷屆競賽優(yōu)秀設(shè)計作品,總結(jié)了競賽推動人才培養(yǎng)的成功做法,收錄了競賽參與者的感想和國際國內(nèi)賽奪冠紀(jì)實報道。

全書較為詳實地記錄了航天動力學(xué)領(lǐng)域青年學(xué)者團體“專注十年磨一劍,潛心尋優(yōu)求卓越”的不斷學(xué)習(xí)與進步的探索歷程。我相信本書的出版必將會更好地推動這項競賽活動,吸引更多青年學(xué)者和研究生參與這項活動。我祝愿全國空間軌道設(shè)計競賽活動不斷開拓創(chuàng)新,越辦越好,為我國航天事業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻！

前言

過去10 年里,我國航天事業(yè)迅猛發(fā)展,載人航天、北斗導(dǎo)航、探月工程、火星探測等一系列重大航天工程相繼實施,空間活動正在從近地軌道向月球與深空拓展,新的空間軌道設(shè)計問題不斷出現(xiàn)；與此同時,空間電推進技術(shù)、衛(wèi)星編隊、多目標(biāo)探測等新技術(shù)、新概念則為空間軌道設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。空間軌道設(shè)計競賽的誕生是航天器飛行力學(xué)研究不斷發(fā)展并與其他學(xué)科不斷交叉的必然結(jié)果,空間軌道設(shè)計的優(yōu)秀作品不僅描繪了空間任務(wù)的藍圖,而且展現(xiàn)了設(shè)計者對空間探索的深刻認(rèn)識和思考。

2005 年,歐洲航天局Dario Izzo 博士提議并發(fā)起了第一屆國際空間軌道設(shè)計競賽(Global Trajectory Optimization Competition,簡稱GTOC)。借鑒GTOC,清華大學(xué)李俊峰、寶音賀西教授于2009 年發(fā)起并舉辦第一屆全國空間軌道設(shè)計競賽,至2019年已成功舉辦了10 屆。歷經(jīng)10 年的努力,我國航天動力學(xué)領(lǐng)域的青年學(xué)者與研究生的空間軌道設(shè)計水平已躋身該領(lǐng)域國際一流行列,并在2019 年第10屆GTOC 問鼎冠軍。本書是全國空間軌道設(shè)計競賽十周年紀(jì)念文集,記錄了我國航天動力學(xué)青年學(xué)者團體“專注十年磨一劍,潛心尋優(yōu)求卓越”的不斷學(xué)習(xí)與進步的難忘歷程。

本書的主要內(nèi)容如下。

第一章介紹了全國空間軌道設(shè)計競賽的發(fā)展概況。中國力學(xué)學(xué)會劉俊麗編審和中科院高揚研究員撰寫了《全國空間軌道設(shè)計競賽發(fā)展歷程回顧》,以時間為主線,回顧了全國空間軌道設(shè)計競賽十年來的發(fā)展歷程以及所取得的成效,歸納總結(jié)了該競賽的主要特色與創(chuàng)新。清華大學(xué)李俊峰教授等撰寫了《2005 年至2009 年國際深空軌跡優(yōu)化競賽綜述》,回顧了清華大學(xué)早期參加國際賽的情況,總結(jié)了對相關(guān)研究生教學(xué)和科研的啟示,相關(guān)思考直接推動了國內(nèi)競賽的創(chuàng)建。

第二、三章分別選編了2009 年至2019 年期間十屆國內(nèi)賽冠軍團隊的優(yōu)秀設(shè)計作品,以及國內(nèi)團隊參加國際賽的優(yōu)秀設(shè)計作品。國內(nèi)、外競賽題目的背景覆蓋了深空、地月空間、近地軌道等多樣化的空間探索與應(yīng)用任務(wù)。每篇文稿簡要介紹了歷屆題目背景、求解方法、設(shè)計結(jié)果以及設(shè)計者的思考,作品選編可能還不夠完善,主要目的旨在拋磚引玉,為讀者呈現(xiàn)出競賽題目的主要內(nèi)涵,并希望能夠進一步推動空間軌道設(shè)計研究的發(fā)展。國內(nèi)賽創(chuàng)辦以后,國內(nèi)團隊在國際賽的成績得到了迅猛提升,第5 屆GTOC 之后的歷屆競賽最好成績?yōu)椋篏TOC5第三名(清華大學(xué))、GTOC6 第5 名(中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)/西安衛(wèi)星測控中心)、GTOC7第4 名(中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù))、GTOC8第2 名(清華大學(xué))、GTOC9 第2 名(國防科技大學(xué))、GTOC10 第1 名(國防科技大學(xué)/西安衛(wèi)星測控中心)。

第四章收錄了三篇論文反映了軌道競賽在推動航天人才培養(yǎng)方面發(fā)揮的顯著作用,以及國內(nèi)同行這方面的探索歷程、具體做法和成效。清華大學(xué)高云峰教授、李俊峰教授等于2007 年發(fā)表了《從國際深空探測大賽看理論力學(xué)教學(xué)及力學(xué)競賽》,結(jié)合清華大學(xué)團隊參加前兩屆國際軌道競賽的經(jīng)歷,分析闡述了軌道設(shè)計競賽對理論力學(xué)教學(xué)和全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽的啟示,論文提出了借鑒軌道競賽的綜合性題目、全開放模式,在力學(xué)競賽中增加開放式團體賽,更是直接推動了該賽事的模式改革；國防科大羅亞中教授等于2013 年發(fā)表了《軌道設(shè)計競賽與航天專業(yè)研究生培養(yǎng)》,該文結(jié)合國防科大團隊參加國內(nèi)軌道競賽的實踐體會,探討了專業(yè)競賽在研究生培養(yǎng)中的應(yīng)用,提出了將專業(yè)競賽作為基礎(chǔ)教育和科研實踐的過渡鏈條,這一觀點反映了其間國內(nèi)同行對軌道競賽在研究生培養(yǎng)中的思考和定位；本書的三位編寫者集體撰寫了《基于“專家型”競賽的航天創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與實踐》,該文基于全國競賽十年開展實踐,總結(jié)凝練了軌道競賽的“專家型”賽事特點、相應(yīng)的人才培養(yǎng)模式和具體做法,這充分體現(xiàn)了我們在實踐中不斷加深了對人才培養(yǎng)規(guī)律的認(rèn)識。

第五章記錄了清華大學(xué)、國防科大、中科院、西安衛(wèi)星測控中心等單位10 名青年學(xué)者和研究生分享的他們參與軌道競賽的故事。清華大學(xué)蔣方華副教授、國防科大羅亞中教授、中國科學(xué)院李明濤研究員著重回顧了所在團隊參與和組織競賽的歷程和感想,正如蔣方華老師所言“一路走來,艱難困苦、酸甜苦辣、榮辱悲歡,感慨良多”；西安衛(wèi)星測控中心沈紅新博士、南京航空航天大學(xué)楊洪偉博士、中國科學(xué)院何勝茂博士均在研究生期間深度參與競賽并獲得了優(yōu)異成績,是當(dāng)之無愧的“軌道競賽達人”,他們?nèi)朔窒砹藚①悮v程以及對競賽和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展思考；中國運載火箭技術(shù)研究院的張志國博士和中國航天員科研訓(xùn)練中心彭祺擘博士分享了他們研究生期間參與競賽的鍛煉對現(xiàn)在工作的積極作用；西安衛(wèi)星測控中心梁軍和南京航空航天大學(xué)楊彬作為競賽新人,分享了他們參加的第九屆國內(nèi)賽的難忘歷程和收獲。

第六章為讀者呈現(xiàn)了2019 年獲得國際賽和國內(nèi)賽冠軍團隊的競賽故事,分別是新華社記者蘇曉洲等撰寫的《“航天青年軍” 的“銀河大移民”》,報道了國防科大和西安衛(wèi)星測控中心聯(lián)隊獲得第十屆國際賽冠軍的紀(jì)實,以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)張海洋等撰寫的《我不是一個人在戰(zhàn)斗》,呈現(xiàn)了哈工大團隊獲得第十屆國內(nèi)賽冠軍的完美團隊?wèi)?zhàn)斗故事。軌道競賽的一個獨特魅力是緊密的團隊作戰(zhàn),團隊成員緊密協(xié)作、團結(jié)拼搏,涌現(xiàn)了數(shù)不勝數(shù)的難忘回憶。

附：目錄

前言

第一章 空間軌道設(shè)計競賽發(fā)展概況

全國空間軌道設(shè)計競賽發(fā)展歷程回顧

2005 年至2009 年國際深空軌跡優(yōu)化競賽綜述

第二章 全國空間軌道設(shè)計競賽優(yōu)秀作品匯編(2009-2019)

第一屆CTOC：近地小行星取樣返回

第二屆CTOC：火星與小行星多任務(wù)探測

第三屆CTOC：太陽系行星和小天體多目標(biāo)探測

第四屆CTOC：廣域小天體多目標(biāo)多任務(wù)探測

第五屆CTOC：核電推進載人小行星探測

第六屆CTOC 甲題：抓捕小行星樣品返回地球

第六屆CTOC 乙題：快速飛抵太陽系邊界(國防科技大學(xué))

第六屆CTOC 乙題：快速飛抵太陽系邊界(航天東方紅衛(wèi)星有限公司)

第七屆CTOC 甲題：不規(guī)則形狀小行星表面巡游探測

第七屆CTOC 乙題：近地軌道衛(wèi)星編隊重構(gòu)任務(wù)(航天東方紅衛(wèi)星有限公司)

第七屆CTOC 乙題：近地軌道衛(wèi)星編隊重構(gòu)任務(wù)(西安衛(wèi)星測控中心)

第八屆CTOC 甲題：太陽同步軌道空間碎片清除

第九屆CTOC 甲題：衛(wèi)星集群監(jiān)測地球靜止衛(wèi)星波束

第九屆CTOC 乙題：局部導(dǎo)航增強星座(國家空間科學(xué)中心)

第九屆CTOC 乙題：局部導(dǎo)航增強星座(西安衛(wèi)星測控中心)

第十屆CTOC：木星內(nèi)磁場及木衛(wèi)科學(xué)探測

第三章 我國參賽隊的國際空間軌道設(shè)計大賽優(yōu)秀作品匯編(2010-2019)

第五屆GTOC：小行星多目標(biāo)探測

第六屆GTOC：伽利略木衛(wèi)全球遙感探測

第七屆GTOC：多航天器多目標(biāo)主帶小行星探測

第八屆GTOC：基于天基VLBI 的宇宙射電源高分辨率成像

第九屆GTOC：近地軌道空間碎片分組清除

第十屆GTOC：移民銀河系

第四章 空間軌道設(shè)計競賽推動人才培養(yǎng)的做法與成效

從國際深空探測大賽看理論力學(xué)教學(xué)及力學(xué)競賽

軌道設(shè)計競賽與航天專業(yè)研究生培養(yǎng)

基于“專家型” 競賽的航天創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與實踐

第五章 競賽參與者感想

辛苦遭逢起一競,百花齊放有我清

團隊參與競賽的十年歷程與幾點感觸

參加競賽提升水平

我和軌道競賽的十年

空間軌道設(shè)計競賽伴我成長

關(guān)于空間軌道設(shè)計競賽的參賽心得

軌道競賽之點滴心得

競賽伴我成長

參加第九屆全國空間軌道設(shè)計競賽感想

努力不會白費,成功沒有碰巧

第六章 競賽奪冠的紀(jì)實故事

“航天青年軍” 的“銀河大移民”

我不是一個人在戰(zhàn)斗