火箭发动机专业综合实验课程简介

火箭发动机专业综合实验课程简介课程目标从知识与技能的角度来讲，本课程的教学目标如下：（1）巩固和加深对专业理论知识的理解，掌握主要部件的工作特性；（2）学习火箭发动机的实验理论和实验方法，了解实验系统构成和实验设备；（3）通过具体实验过程，提高动手操作能力，掌握基本的实验技能，包括实验方案设计、系统调试、实验操作规程、实验现象观察以及数据处理等；（4）了解火箭发动机实验研究的发展动态，经过动手实践，熟悉先进的实验方法，具备初步的科研实验能力。从素质与心理角度来讲，本课程的教学目标如下：在认知上，加深学生对专业理论知识和实验理论知识的记忆与理解（识记、领会层面）；正确地使用各项实验技能，设计合理的实验方案（运用层面）；分析实验现象，处理实验数据，提炼实验结论（分析层面）；根据研究目的，综合自身的理论知识和实验能力，实施一项完整的研究型实验过程（综合层面）；评估实验结果的正确性，评价实验本身的科学性与合理性（评价）。在情感上，引导学生密切关注各种实验现象，加深直观感受（注意层面）；充分利用火箭发动机专业教学实验中声学、光学、电磁、气动等现象丰富这一优势，激发学生的实验积极性（反应层面）；培养学生科学规范的实验习惯和客观严谨的实验态度（价值评价层面）；让学生深刻体会到本课程与其未来职业发展的关联性，激发学生的职业性学习动机，培养创新意识（价值观组织层面）；促进学生培养务真求实的工作作风，培养紧密协同的团队意识，培养甘于奉献的职业精神（品格层面）。在动作技能上，培养学生的动手操作能力，掌握典型设备的基本操作方法，能进行安装、调试与测量，熟练掌握各项应急处理措施。课程性质与定位“火箭发动机专业综合实验”是北京航空航天大学飞行器动力工程（航天）专业的三大主干专业课程之一；是专业培养过程中的重要实践教育环节。本课程是一门要求学生运用专业理论知识来分析、解决具体实践问题的课程。课程以实验为载体，定位于各种联系的“桥梁”——即专业基础理论理解与综合运用的桥梁、专业人才培养与学生职业发展的桥梁。本课程既是专业知识的形象表现，有助于学生深刻理解专业理论；又是专业知识运用的典型案例，有助于学生学以致用，解决专业问题；还是学生未来职业活动的预演，有助于培养学生的科研素质。课程设计的思路鉴于“火箭发动机专业综合实验”是一门实践性强、且需要较好专业理论基础的综合教学实验课程，因此从实验理论知识与实践经验的教学要求出发，以及为了使学生能更快更好地适应毕业后的职业发展过程，设置了专门的实验理论内容。理论课内容按照“基础——前沿——安全”的知识模块组织。实验项目的设计从火箭发动机的热力过程出发，包含了推进剂的输送与供给、喷注雾化、点火、燃烧、推力产生、热防护等关键环节，涉及到喷注器、点火器、燃烧室、喷管、减压器、汽蚀文氏管、输送管路等关键部组件。在实验项目的选择上贯彻“巩固基础、综合运用、跟踪前沿”的指导思想。具体而言，“基础”体现在实验项目反映了火箭发动机系统的基本运行过程与基本的构造特征。“综合”体现在实验项目需要团队合作来完成、需要运用多门专业基础课与专业课的知识、需要通过设计、计算、分析、处理等多种方法和测量、控制、装配、调试、安全保障等诸多操作技能来实施。“前沿”则体现在部分实验与该专业领域内的科研前沿相关联。课程的实验项目安排是遵循着从“基础操作实验——参与引导实验——综合演示实验——自主研究实验”的递进路线，使学生要一步步完成“具备实验操作技能——理解实验理论——熟悉实验设备——掌握实验方法”的进阶，最终实现“设计实验方案、实施实验过程、完成实验分析”的自主实验研究能力。图：实验项目的设计与教学安排与前后课程关系本课程需要学生具有一定的专业理论基础，课程内容要涉及到多门专业课程的基本概念、理论和重要定理、规律。先修课程有流体力学、工程热力学、传热学等专业基础课以及火箭发动机原理等专业课，本课程的理论与实验课程对于夯实专业基础、强化专业知识有着重要的促进作用。本课程安排在四年级上学期，也是学生进入毕业设计前的一次重要的实践演练。课程特色课程内容组织体系完整，结构合理，理论与实践紧密结合；实验内容丰富真实，过程完整；强调动手环节，注重操作技能，突出团队协作；基础与前沿相结合，注重教学与科研的联系。教学条件作为实验课程，必须具备完整的实践教学环境，具体到本课程而言，要求更高，主要体现在：1)专业性和综合性都非常强。火箭发动机专业综合教学实验系统具有非常明确的专业背景，培养目标清晰直接，具有强烈的航天推进特色，因此主要的实验设备和实验件大都要自行设计加工，需要专用配套设施，通用性差。此外，实验系统涉及的学科众多，具有很强的综合性。从硬件条件上看，实验系统综合了测量、控制、供给、安全保障、试车台架等多个子系统；从实验过程上讲，要参与到安装、调试、测量、后期处理、应急措施等环节。因此，实验系统的建设难度大，需要持续的投入与积累。2)硬件要求高。火箭发动机教学实验不同于一般的课程实验，只有达到了一定的硬件水平后，才有能力开设。(1)火箭发动机实验需要专门的实验系统和仪器设备，对实验场地条件也有专门的规定。尤其是实验系统，本身就包含了诸多分系统，十分复杂，并且专用设备众多，建设成本高昂。例如，典型的液体火箭发动机实验系统包括：推力架、测控系统、推进剂输送系统、点火系统等，其中的每一项分系统又都是由若干复杂零部件组合而成，设计、加工、安装和调试过程繁杂，重点设备价格昂贵，维护使用成本高，没有良好的基础与积累是难以胜任教学实验的需求。(2)实验过程中测量控制的自动化程度高。因为火箭发动机实验中，物理化学过程处于高速进展之中，时间分辨率要求高，内容丰富，信息量大，只有依靠高度自动化的测控系统才能完成不同参数的采集测量，才能实时监控实验过程，及时发现处理实验异常，保障实验顺利进行。3)安全保障严格，部分实验工质属火工品性质。火箭发动机专业的实验条件苛刻，实验过程具有一定的危险性，有高真空环境模拟实验、有高温高压高速的燃烧流动过程、也有强电场强磁场实验环境等等，因此安全上的万无一失与实验过程的稳定可靠是开展综合教学实验所必须满足的先决条件，这需要有完善的实验保障措施与严格的实验安全制度体系。对于授课教师而言，不仅要求实验能力突出，经验丰富，还需要较高的专业理论水平，是理论与实践相结合的“复合型人才”。课程建设发展状况自2009年获得国家精品课程立项以来，课程组开展了持续的、全面的课程建设，主要内容如下：1)开展了多套实验设备的自主研制，建成了能有效支撑“火箭发动机专业综合实验”的硬件体系。为了更好地促进宇航推进专业的教学与科研工作，北航在沙河新校区新建了6000m2的宇航推进实验室，投入近5000万元，基础设施完善。虽然将现有的教学科研设备搬迁、重建，工作量大，费时费力，但是新实验室也为本课程的建设带了更好的发展契机，提供了一次很好的硬件升级换代的机会。为此，课程组全体教师在有限的资金支持下，拟定了长期的建设规划，立足于多年的教学积累和技术实力，结合课程教学目标，分批研制多套先进教学实验系统。近四年来，课程组先后建成了固体推进剂燃速测量系统、减压器特性实验系统、固体火箭发动机综合实验台、喷管效率教学实验系统、直列式点火教学实验系统等。这些新建的实验系统经过试讲调试，都已投入教学应用，获得了非常好的教学效果。2)重新编写实验理论课程教材与实验指导书从火箭发动机专业实验教学与技能培养的需要出发，课程组编写了理论课程教材——《火箭发动机实验技术》，初稿完成于2007年。随着课程建设的深入，根据课程发展规划与教学实践的效果，觉得还有较大的改进余地。原教材的编写思路主要是参考了工业部门的实验组织与实施的过程，内容上也大量借鉴和引用了工业部门的文献资料，与当前教学内容的关联欠紧密，与其他专业课程的配合度不够。因此，为了达到更好的教学效果，决定从系统培养本科生专业知识体系与能力体系的角度出发，在已有的教材初稿基础上，强调基础与理论，突出教学特色，更好地与火箭发动机理论课程及设计课程配套，以火箭发动机系统的工作过程为主线，对教材内容进行重新编写。区别于以往按照工程研制的步骤来组织教材内容，在重编时则按火箭发动机系统各种现象与过程的发生顺序来组织内容，包含有：推进剂贮存、增压输送、喷注雾化、点火燃烧、膨胀加速、喷射羽流、换热冷却等物理化学过程。随着实验设备与实验技术的更新换代，课程组也重新编写了实验指导书。每一册指导书都是由实验理论主讲教师、实验指导教师和实验员联合编写。指导书中既包含了具体实验过程的实施指导与实验要求等一般性内容，还详细的讲解了实验原理、实验设施以及相关的研究背景，具有较好知识性和实用性。3)建立了一套行之有效的大型实验课程组织管理模式“火箭发动机专业综合实验”课程是一门全新的大型的综合教学实验课程，需要一套专门的组织管理模式，实现人员和设备的高效组织、实验项目的正常运行以及安全措施的可靠保障。在课程的组织管理上主要是做好设备组织与人员组织，前者需要根据具体的设备特点来具体对待；对于后者，可从课程的师资要求、实验室的组织结构、课程内容的层次关系等方面来综合协调，以提高课程组织效率。经过近几年的实践摸索，较好的组织模式是由本专业教研室（实验室）来统一协调，由教研室（实验室）主任作为课程负责人来牵头，以实验项目的横向组织为主，以实验保障需求的纵向组织为辅。专业实验课程的管理主要包括实验项目管理、设备管理、保障条件管理、安全管理等，其中最为重要的是实验项目管理。对实验项目实行分类管理与实施的办法，这样可以更加合理地使用教学资源，充分发挥实验设施的教学潜力，能够分层次、分阶段、分领域地实现课程目标。在具体实践中，为了方便实施，结合本专业实验的实际特点，课程组提出了基础操作实验、综合演示实验、参与引导型实验、自主研究型实验这四种分类方法，依此进行有针对性的分类管理。由于实验室搬迁重建，以及明确了突出实验过程的参与性与实验技术的先进性这一指导原则，对原有的实验项目进行了调整，因此教学团队也有所变化。课程组从最初的17人减少到目前的12人，一方面是因为青年教师的快速成长，已经能够独挑大梁；另一方面是部分实验正在更新换代，在完成了技术设备升级，并经过试讲改进后，在重新编入本课程的内容体系。