《专注十年磨一剑，潜心寻优求卓越
——纪念全国空间轨道设计竞赛十周年》序

中国载人航天工程总设计师 周建平院士

全国空间轨道设计竞赛于2009 年创办,迄今已成功举办十届,这是一项非常有创意,并对实际航天工程有重要支撑价值的竞赛活动。我非常欣慰地看到国内主要航天院校和研究机构以该竞赛为平台,在推动轨道设计技术进步和人才培养方面取得了显著的成效。

轨道是航天任务设计核心要素之一,轨道专业也是航天部门的重要专业。轨道设计竞赛以正在论证的或新概念航天任务为背景,从中提炼具有挑战性的轨道设计问题,以一种全开放形式由参赛团队历时1–2 个月完成求解。竞赛比拼的是参赛团队的专业实力,体现出了很高的专业水平和创新性。这项竞赛活动的开展有效带动了多目标探测、电推进、编队/星座等方面轨道设计技术的发展,为提升我国载人航天、深空探测等重大航天任务的轨道设计水平做出了积极贡献。

这项竞赛活动以其独特魅力吸引了高校的青年老师和研究生参与,同时航天机构的一线工程师参与度也很高,在我国航天领域青年人才培养中发挥了独特作用。一批年轻学者、工程师与研究生通过参与竞赛,以同台切磋技术的形式,锻炼了解决复杂问题的能力,开拓了研究思路,提升了团队协作能力,加强了学术交流沟通。我很高兴地看到西安卫星测控中心、中国科学院、国防科大等多支参与载人航天工程轨道研究和设计的优秀青年骨干都在轨道竞赛中得到了不断的提高。

由于全国空间轨道设计竞赛“十年磨一剑”的活动带动,我国主要轨道设计团队的综合创新能力得到明显增强,国际竞争力不断提升,在2019 年美国宇航局主办的第十届国际空间轨道设计竞赛中,国防科技大学和西安卫星测控中心联合代表队实现了中国参赛队伍的首次夺冠,打破欧美团队对该赛事冠军的长期垄断,产生了重要社会影响。我对这一成绩的取得表示衷心的祝贺,这也是中国航天技术发展进步的一个缩影,表明中国空间轨道设计能力已经迈入国际一流水平行列。

本书是这项竞赛活动开展十周年的一个阶段总结,回顾了竞赛自创立以来的发展历程,展示了历届竞赛优秀设计作品,总结了竞赛推动人才培养的成功做法,收录了竞赛参与者的感想和国际国内赛夺冠纪实报道。

全书较为详实地记录了航天动力学领域青年学者团体“专注十年磨一剑,潜心寻优求卓越”的不断学习与进步的探索历程。我相信本书的出版必将会更好地推动这项竞赛活动,吸引更多青年学者和研究生参与这项活动。我祝愿全国空间轨道设计竞赛活动不断开拓创新,越办越好,为我国航天事业发展做出更大的贡献！

前言

过去10 年里,我国航天事业迅猛发展,载人航天、北斗导航、探月工程、火星探测等一系列重大航天工程相继实施,空间活动正在从近地轨道向月球与深空拓展,新的空间轨道设计问题不断出现；与此同时,空间电推进技术、卫星编队、多目标探测等新技术、新概念则为空间轨道设计带来了新的挑战。空间轨道设计竞赛的诞生是航天器飞行力学研究不断发展并与其他学科不断交叉的必然结果,空间轨道设计的优秀作品不仅描绘了空间任务的蓝图,而且展现了设计者对空间探索的深刻认识和思考。

2005 年,欧洲航天局Dario Izzo 博士提议并发起了第一届国际空间轨道设计竞赛(Global Trajectory Optimization Competition,简称GTOC)。借鉴GTOC,清华大学李俊峰、宝音贺西教授于2009 年发起并举办第一届全国空间轨道设计竞赛,至2019年已成功举办了10 届。历经10 年的努力,我国航天动力学领域的青年学者与研究生的空间轨道设计水平已跻身该领域国际一流行列,并在2019 年第10届GTOC 问鼎冠军。本书是全国空间轨道设计竞赛十周年纪念文集,记录了我国航天动力学青年学者团体“专注十年磨一剑,潜心寻优求卓越”的不断学习与进步的难忘历程。

本书的主要内容如下。

第一章介绍了全国空间轨道设计竞赛的发展概况。中国力学学会刘俊丽编审和中科院高扬研究员撰写了《全国空间轨道设计竞赛发展历程回顾》,以时间为主线,回顾了全国空间轨道设计竞赛十年来的发展历程以及所取得的成效,归纳总结了该竞赛的主要特色与创新。清华大学李俊峰教授等撰写了《2005 年至2009 年国际深空轨迹优化竞赛综述》,回顾了清华大学早期参加国际赛的情况,总结了对相关研究生教学和科研的启示,相关思考直接推动了国内竞赛的创建。

第二、三章分别选编了2009 年至2019 年期间十届国内赛冠军团队的优秀设计作品,以及国内团队参加国际赛的优秀设计作品。国内、外竞赛题目的背景覆盖了深空、地月空间、近地轨道等多样化的空间探索与应用任务。每篇文稿简要介绍了历届题目背景、求解方法、设计结果以及设计者的思考,作品选编可能还不够完善,主要目的旨在抛砖引玉,为读者呈现出竞赛题目的主要内涵,并希望能够进一步推动空间轨道设计研究的发展。国内赛创办以后,国内团队在国际赛的成绩得到了迅猛提升,第5 届GTOC 之后的历届竞赛最好成绩为：GTOC5第三名(清华大学)、GTOC6 第5 名(中国科学院空间应用工程与技术/西安卫星测控中心)、GTOC7第4 名(中国科学院空间应用工程与技术)、GTOC8第2 名(清华大学)、GTOC9 第2 名(国防科技大学)、GTOC10 第1 名(国防科技大学/西安卫星测控中心)。

第四章收录了三篇论文反映了轨道竞赛在推动航天人才培养方面发挥的显著作用,以及国内同行这方面的探索历程、具体做法和成效。清华大学高云峰教授、李俊峰教授等于2007 年发表了《从国际深空探测大赛看理论力学教学及力学竞赛》,结合清华大学团队参加前两届国际轨道竞赛的经历,分析阐述了轨道设计竞赛对理论力学教学和全国周培源大学生力学竞赛的启示,论文提出了借鉴轨道竞赛的综合性题目、全开放模式,在力学竞赛中增加开放式团体赛,更是直接推动了该赛事的模式改革；国防科大罗亚中教授等于2013 年发表了《轨道设计竞赛与航天专业研究生培养》,该文结合国防科大团队参加国内轨道竞赛的实践体会,探讨了专业竞赛在研究生培养中的应用,提出了将专业竞赛作为基础教育和科研实践的过渡链条,这一观点反映了其间国内同行对轨道竞赛在研究生培养中的思考和定位；本书的三位编写者集体撰写了《基于“专家型”竞赛的航天创新人才培养模式与实践》,该文基于全国竞赛十年开展实践,总结凝练了轨道竞赛的“专家型”赛事特点、相应的人才培养模式和具体做法,这充分体现了我们在实践中不断加深了对人才培养规律的认识。

第五章记录了清华大学、国防科大、中科院、西安卫星测控中心等单位10 名青年学者和研究生分享的他们参与轨道竞赛的故事。清华大学蒋方华副教授、国防科大罗亚中教授、中国科学院李明涛研究员着重回顾了所在团队参与和组织竞赛的历程和感想,正如蒋方华老师所言“一路走来,艰难困苦、酸甜苦辣、荣辱悲欢,感慨良多”；西安卫星测控中心沈红新博士、南京航空航天大学杨洪伟博士、中国科学院何胜茂博士均在研究生期间深度参与竞赛并获得了优异成绩,是当之无愧的“轨道竞赛达人”,他们三人分享了参赛历程以及对竞赛和相关技术的发展思考；中国运载火箭技术研究院的张志国博士和中国航天员科研训练中心彭祺擘博士分享了他们研究生期间参与竞赛的锻炼对现在工作的积极作用；西安卫星测控中心梁军和南京航空航天大学杨彬作为竞赛新人,分享了他们参加的第九届国内赛的难忘历程和收获。

第六章为读者呈现了2019 年获得国际赛和国内赛冠军团队的竞赛故事,分别是新华社记者苏晓洲等撰写的《“航天青年军” 的“银河大移民”》,报道了国防科大和西安卫星测控中心联队获得第十届国际赛冠军的纪实,以及哈尔滨工业大学张海洋等撰写的《我不是一个人在战斗》,呈现了哈工大团队获得第十届国内赛冠军的完美团队战斗故事。轨道竞赛的一个独特魅力是紧密的团队作战,团队成员紧密协作、团结拼搏,涌现了数不胜数的难忘回忆。

附：目录

前言

第一章 空间轨道设计竞赛发展概况

全国空间轨道设计竞赛发展历程回顾

2005 年至2009 年国际深空轨迹优化竞赛综述

第二章 全国空间轨道设计竞赛优秀作品汇编(2009-2019)

第一届CTOC：近地小行星取样返回

第二届CTOC：火星与小行星多任务探测

第三届CTOC：太阳系行星和小天体多目标探测

第四届CTOC：广域小天体多目标多任务探测

第五届CTOC：核电推进载人小行星探测

第六届CTOC 甲题：抓捕小行星样品返回地球

第六届CTOC 乙题：快速飞抵太阳系边界(国防科技大学)

第六届CTOC 乙题：快速飞抵太阳系边界(航天东方红卫星有限公司)

第七届CTOC 甲题：不规则形状小行星表面巡游探测

第七届CTOC 乙题：近地轨道卫星编队重构任务(航天东方红卫星有限公司)

第七届CTOC 乙题：近地轨道卫星编队重构任务(西安卫星测控中心)

第八届CTOC 甲题：太阳同步轨道空间碎片清除

第九届CTOC 甲题：卫星集群监测地球静止卫星波束

第九届CTOC 乙题：局部导航增强星座(国家空间科学中心)

第九届CTOC 乙题：局部导航增强星座(西安卫星测控中心)

第十届CTOC：木星内磁场及木卫科学探测

第三章 我国参赛队的国际空间轨道设计大赛优秀作品汇编(2010-2019)

第五届GTOC：小行星多目标探测

第六届GTOC：伽利略木卫全球遥感探测

第七届GTOC：多航天器多目标主带小行星探测

第八届GTOC：基于天基VLBI 的宇宙射电源高分辨率成像

第九届GTOC：近地轨道空间碎片分组清除

第十届GTOC：移民银河系

第四章 空间轨道设计竞赛推动人才培养的做法与成效

从国际深空探测大赛看理论力学教学及力学竞赛

轨道设计竞赛与航天专业研究生培养

基于“专家型” 竞赛的航天创新人才培养模式与实践

第五章 竞赛参与者感想

辛苦遭逢起一竞,百花齐放有我清

团队参与竞赛的十年历程与几点感触

参加竞赛提升水平

我和轨道竞赛的十年

空间轨道设计竞赛伴我成长

关于空间轨道设计竞赛的参赛心得

轨道竞赛之点滴心得

竞赛伴我成长

参加第九届全国空间轨道设计竞赛感想

努力不会白费,成功没有碰巧

第六章 竞赛夺冠的纪实故事

“航天青年军” 的“银河大移民”

我不是一个人在战斗