【正文】 航天工程系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估方法研究論文（推薦閱讀） 第一篇：航天工程系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估方法研究論文 1 引言 航天工程屬于復(fù)雜系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運用技術(shù)復(fù)雜、組織管理復(fù)雜，任何一個微小的差錯都可能造成工程實施的不成功。因此，技術(shù)成熟度問題首先在航天領(lǐng)域獲得研究并在實踐中得到廣泛應(yīng)用。美國國家航空航天局 (NASA)基于阿波羅登月項目的實踐，早在 1969 年就產(chǎn)生了要準(zhǔn)確闡述未來空間系統(tǒng)應(yīng)用新技術(shù)狀態(tài)的觀點。 20 世紀(jì) 70年代中期， NASA 引入技術(shù)成熟度等級 (TechnologyReadinessLevel， TRL)的概念以評估新技術(shù)的成熟度 。20 世紀(jì) 70 年代末， NASA 產(chǎn)生了最早度量技術(shù)成熟度的標(biāo)準(zhǔn) ——— 技術(shù) 成熟度等級。 1995 年 NASA 出臺《 TRL白皮書》，將 TRL 分為 9 級，并制定了具體應(yīng)用規(guī)范和程序。 此后，美國 (DoD)借鑒 NASA 評價標(biāo)準(zhǔn)，于 2021 出版了《 TRL 評估手冊》，并要求所有重要國防采辦計劃中都必須應(yīng)用 TRL。西方其它國家學(xué)習(xí)美國經(jīng)驗，也在國防采辦中積極推廣 TRL。例如，英國 (MoD)于2021 年開發(fā)了技術(shù)嵌入度量標(biāo)準(zhǔn) (TechnologyInsertionMetric)，包括技 術(shù) 成 熟 度 (TRL) 等 級 、 系 統(tǒng) ( 集成 ) 成 熟 度 等 級(Sytems(Integration)ReadinessLevel) 、 集 成 成 熟 度 等 級(IntegrationMaturityLevel)3 個方面內(nèi)容，并將這種度量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于武器系統(tǒng)工程的各個階段實踐中 。加拿大 (DND)于 2021 年開發(fā)出了原型的綜合評估體系 ——— 技術(shù)成熟度體系(TechnologyMaturityLevelSystem， TMLSystem)，并將其應(yīng)用于加拿大 系 統(tǒng) 與 設(shè) 備 采 辦 的 管 理 系 統(tǒng) — — — 國 防 管 理 系 統(tǒng)(DefenceManagementSystem， DMS)中。 目前，技術(shù)成熟度方法不僅應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，也被廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟的各個行業(yè)中。不過 ，技術(shù)成熟度評估方法的研究與應(yīng)用一直側(cè)重于對單一技術(shù)的評估，從而在需要多種關(guān)鍵技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)工程應(yīng)用中產(chǎn)生了局限性。一些相關(guān)研究已經(jīng)注意到了這個問題，并針對技術(shù)集成問題開展了某些技術(shù)集成成熟度評估方法研究。比如，一些學(xué)者提出了集成成熟度等級 (IRL)概念，認(rèn)為不同技術(shù)之間進行組合或者技術(shù)集成時，要考慮集成的物理屬性及各關(guān)鍵技術(shù)間相互作用、兼容性、可靠性、可維修性、可保障性等要素，完成對系統(tǒng)集成狀態(tài)技術(shù)成熟度評估 。一些學(xué)者通過建立技術(shù)單元體系結(jié)構(gòu)，采用加權(quán)方法等直接計算技術(shù)集成成熟度 。一些學(xué)者探討了武器裝 備體系層面的技術(shù)成熟度評估方法。 航天工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的層次性，對應(yīng)存在著實現(xiàn)其功能的技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且技術(shù)與技術(shù)間以及技術(shù)模塊間需要通過集成技術(shù)完成連接。因此，本文研究認(rèn)為，航天工程系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評估應(yīng)遵循航天工程本身的技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)，去構(gòu)建逐層集成的技術(shù)成熟度評估體系，最終完成對航天工程的整體技術(shù)成熟度評估。 2 航天工程技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個分層次描述 一項航天工程往往可以分解為若干個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)又可以分解為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)則由眾多單機構(gòu)成。比如，中國載人航天工程由航 天員、空間應(yīng)用、載人飛船、運載火箭、發(fā)射場、測控通信、著陸場和空間實驗室八大系統(tǒng)組成 。就載人飛船分系統(tǒng)而言，它由推進艙、返回艙、軌道艙 3 個子系統(tǒng)構(gòu)成 。進一步從神舟號飛船的推進艙構(gòu)成看，其安裝有推進系統(tǒng)發(fā)動機和推進劑、飛船電源、太陽電池翼、環(huán)境控制和通信等系統(tǒng)、設(shè)備。可見，一項航天工程有著極其復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)成，其對應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)也是十分復(fù)雜的。為此，可以對應(yīng)于航天工程的系統(tǒng)組成，形成一個具有多層次結(jié)構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)(見圖 1)。其中，每一個層次技術(shù)都是通過下一級相關(guān)技術(shù)的集成而構(gòu)成的一個技術(shù)集成體，因此每一個技術(shù)層 中都包括了集成技術(shù) 。就底層的單機技術(shù)而言，它可以分解為設(shè)計、材料、工藝、方法、設(shè)備、單機集成技術(shù) 6 類基本構(gòu)成要素。 3 單機構(gòu)成中的要素技術(shù)成熟度評價 技術(shù)成熟度等級一般劃分為 9 級，例如在美國 2021 年版的《技術(shù)成熟度評估案頭書》中，將技術(shù)成熟度等級劃分為 9 級，其含義見表 1。按照 9 級評價標(biāo)準(zhǔn)，可以針對某一具體航天工程單機構(gòu)成中的要素技術(shù)成熟度首先給出評價，進而自下而上逐層匯總評價結(jié)果，最終得出整體系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評價。 1)設(shè)計成熟度評價 設(shè)計的技術(shù)層次包括 3 個層面：物理原理設(shè) 計→結(jié)構(gòu)設(shè)計→工藝設(shè)計。參照技術(shù)成熟度 9 級劃分方法，可將航天單機設(shè)計成熟度定義為 9 級 (見表 2)。設(shè)計工作中，針對一個具體的單機可依據(jù)表 2 級別定義做出其設(shè)計成熟度等級評價。 2)材料成熟度評價 航天工程中使用的材料復(fù)雜，且許多材料是特種材料、新發(fā)明的材料。因此，確認(rèn)材料的成熟度對工程實施的可靠性極為重要。材料的應(yīng)用通常采用積木式方法逐步驗證和實施，即對材料從試件、元件、組件、部件，直到全尺寸部件結(jié)構(gòu)都需要進行嚴(yán)格考核。在此，可結(jié)合積木式方法的實施步驟，將單機使用材料的技術(shù)成熟度按 9 個等級劃分見 表 3。 3)工藝成熟度評價 產(chǎn)品制造工藝成熟程度：主要表現(xiàn)在產(chǎn)品工藝對設(shè)計要求的實現(xiàn)程度及其自身的完善程度，特別是產(chǎn)品制造工藝所達(dá)到的可操作、可量化、可檢測、可重復(fù)程度，以及由不同時間、不同地點、不同人員生產(chǎn)出的產(chǎn)品的一致性程度，其核心在于工藝關(guān)鍵特性的識別、確定及其驗證的充分性。可考慮工藝狀態(tài)、工藝基礎(chǔ)、工藝實施和保障條件等內(nèi)容維度，依據(jù) 9 級成熟度評價模型定義制造工藝成熟度等級劃分 (見表 4)。在具體的評價中，每個維度確立典型評價要素，確定成熟度模型中每一級的評價標(biāo)準(zhǔn)，進而針對實際單機對象作 出成熟度評價。 4)方法成熟度評價 方法在技術(shù)成熟度評價中常常被輕視，而它涉及的方面很多，且是技術(shù)成熟程度的一個重要環(huán)節(jié)。比如，方法可體現(xiàn)在可靠性評價、質(zhì)量控制、模型化、仿真能力、測試，概念模型、仿真模型、仿真結(jié)果分析、工藝模型等諸多方面。同理，可以依據(jù) 9 級成熟度評價模型定義方法成熟程度等級劃分 (見表 5)，據(jù)此可以評價實際單機制造的方法成熟度。 5)設(shè)備成熟度評價 設(shè)備成熟度評價是對航天工程制造應(yīng)用的設(shè)備成熟度給出評價，它主要體現(xiàn)為完整的生產(chǎn)設(shè)備及制造能力。航天工程單機制造使 用設(shè)備的 9 級成熟度等級劃分見表 6。 6)單機集成技術(shù)成熟度評價 單機制造會涉及多種技術(shù)運用，每項單一技術(shù)的成熟度高并不能保證單機制造的整體技術(shù)成熟度達(dá)到高水平，因為還取決于其技術(shù)間的集成水平。因此，可對技術(shù)集成能力劃分級別，結(jié)合實際單機對象，完成具體單機集成技術(shù)成熟度評價。表 7 給出了一個單機集成技術(shù)成熟度等級劃分定義，可供單機集成技術(shù)成熟度評價中參考。 同時，上述單機集成技術(shù)成熟度等級劃分，可根據(jù)具體系統(tǒng)背景進行適當(dāng)修訂，形成子系統(tǒng)、分析統(tǒng)、系統(tǒng) 3 個級別的各自 9 級技術(shù)成熟度評價定義。 4 結(jié)束語 從目前的理論研究與實際應(yīng)用情況看，都傾向于單一技術(shù)成熟度評估思維，即對系統(tǒng)某一級別對象完成獨立技術(shù)成熟度評估。這種做法雖然容易實現(xiàn)，但并不符合實際技術(shù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)關(guān)系。任何一個技術(shù)系統(tǒng)的先進性、成熟性、可靠性都依賴于各層次技術(shù)的情況及其技術(shù)集成能力，簡單的裝置技術(shù)與制造問題都可能影響到一個航天工程的安全性能。因此，本文認(rèn)為應(yīng)從最基本的單機構(gòu)成要素