航天工程系統技術成熟度評估方法研究論文
航天工程系統技術成熟度評估方法研究論文
1引言
航天工程屬於複雜系統，其系統結構複雜、運用技術複雜、組織管理複雜，任何一個微小的差錯都可能造成工程實施的不成功。因此，技術成熟度問題首先在航天領域獲得研究並在實踐中得到廣泛應用。美國國家航空航天局(NASA)基於阿波羅登月專案的實踐，早在1969年就產生了要準確闡述未來空間系統應用新技術狀態的觀點。20世紀70年代中期，NASA 引入技術成熟度等級(TechnologyReadinessLevel，TRL)的概念以評估新技術的成熟度;20世紀70年代末，NASA產生了最早度量技術成熟度的標準———技術成熟度等級。1995 年NASA出臺《TRL白皮書》，將TRL分為9級，並制定了具體應用規範和程式。
此後，美國(DoD)借鑑NASA 評價標準，於2003出版了《TRL評估手冊》，並要求所有重要國防採辦計劃中都必須應用TRL。西方其它國家學習美國經驗，也在國防採辦中積極推廣TRL。例如，英國(MoD)於2005年開發了技術嵌入度量標準(TechnologyInsertionMetric)，包括技術成熟度(TRL)等級、系統(整合)成熟度等級(Sytems(Integration)ReadinessLevel)、整合成熟度等級(IntegrationMaturityLevel)3個方面內容，並將這種度量標準應用於武器系統工程的各個階段實踐中;加拿大(DND)於2006年開發出了原型的綜合評估體系———技術成熟度體系(TechnologyMaturityLevelSystem，TMLSystem)，並將其應用於加拿大系統與裝置採辦的管理系統———國防管理系統(DefenceManagementSystem，DMS)中。
目前，技術成熟度方法不僅應用於軍工領域，也被廣泛應用在國民經濟的各個行業中。不過，技術成熟度評估方法的研究與應用一直側重於對單一技術的評估，從而在需要多種關鍵技術整合的複雜系統工程應用中產生了侷限性。一些相關研究已經注意到了這個問題，並針對技術整合問題開展了某些技術整合成熟度評估方法研究。比如，一些學者提出了整合成熟度等級(IRL)概念，認為不同技術之間進行組合或者技術整合時，要考慮整合的物理屬性及各關鍵技術間相互作用、相容性、可靠性、可維修性、可保障性等要素，完成對系統整合狀態技術成熟度評估;一些學者透過建立技術單元體系結構，採用加權方法等直接計算技術整合成熟度;一些學者探討了武器裝備體系層面的技術成熟度評估方法。
航天工程的系統結構具有複雜的層次性，對應存在著實現其功能的技術系統結構，且技術與技術間以及技術模組間需要透過整合技術完成連線。因此，本文研究認為，航天工程系統的技術成熟度評估應遵循航天工程本身的技術實現系統，去構建逐層整合的技術成熟度評估體系，最終完成對航天工程的整體技術成熟度評估。
2航天工程技術系統結構的一個分層次描述
一項航天工程往往可以分解為若干個分系統，每個分系統又可以分解為多個子系統，每個子系統則由眾多單機構成。比如，中國載人航天工程由航天員、空間應用、載人飛船、運載火箭、發射場、測控通訊、著陸場和空間實驗室八大系統組成;就載人飛船分系統而言，它由推進艙、返回艙、軌道艙3個子系統構成;進一步從神舟號飛船的推進艙構成看，其安裝有推進系統發動機和推進劑、飛船電源、太陽電池翼、環境控制和通訊等系統、裝置。可見，一項航天工程有著極其複雜的系統構成，其對應的技術系統也是十分複雜的。為此，可以對應於航天工程的系統組成，形成一個具有多層次結構的技術實現系統(見圖1)。其中，每一個層次技術都是透過下一級相關技術的整合而構成的一個技術整合體，因此每一個技術層中都包括了整合技術;就底層的單機技術而言，它可以分解為設計、材料、工藝、方法、裝置、單機整合技術6類基本構成要素。
3單機構成中的要素技術成熟度評價
技術成熟度等級一般劃分為9級，例如在美國2009年版的《技術成熟度評估案頭書》中，將技術成熟度等級劃分為9級，其含義見表1。按照9級評價標準，可以針對某一具體航天工程單機構成中的要素技術成熟度首先給出評價，進而自下而上逐層彙總評價結果，最終得出整體系統的技術成熟度評價。
1)設計成熟度評價
設計的技術層次包括3個層面：物理原理設計→結構設計→工藝設計。參照技術成熟度9級劃分方法，可將航天單機設計成熟度定義為9級(見表2)。設計工作中，針對一個具體的單機可依據表2級別定義做出其設計成熟度等級評價。
2)材料成熟度評價
航天工程中使用的材料複雜，且許多材料是特種材料、新發明的材料。因此，確認材料的成熟度對工程實施的可靠性極為重要。材料的應用通常採用積木式方法逐步驗證和實施，即對材料從試件、元件、元件、部件，直到全尺寸部件結構都需要進行嚴格考核。在此，可結合積木式方法的實施步驟，將單機使用材料的技術成熟度按9個等級劃分見表3。
3)工藝成熟度評價
產品製造工藝成熟程度：主要表現在產品工藝對設計要求的實現程度及其自身的完善程度，特別是產品製造工藝所達到的可操作、可量化、可檢測、可重複程度，以及由不同時間、不同地點、不同人員生產出的產品的一致性程度，其核心在於工藝關鍵特性的識別、確定及其驗證的充分性。可考慮工藝狀態、工藝基礎、工藝實施和保障條件等內容維度，依據9級成熟度評價模型定義製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.評價標準，進而針對實際單機物件作出成熟度評價。
4)方法成熟度評價
方法在技術成熟度評價中常常被輕視，而它涉及的方面很多，且是技術成熟程度的一個重要環節。比如，方法可體現在可靠性評價、質量控制、模型化、模擬能力、測試，概念模型、模擬模型、模擬結果分析、工藝模型等諸多方面。同理，可以依據9級成熟度評價模型定義方法成熟程度等級劃分(見表5)，據此可以評價實際單機制造的方法成熟度。
5)裝置成熟度評價
裝置成熟度評價是對航天工程製造應用的裝置成熟度給出評價，它主要體現為完整的生產裝置及製造能力。航天工程單機制造使用裝置的9級成熟度等級劃分見表6。
6)單機整合技術成熟度評價
單機制造會涉及多種技術運用，每項單一技術的成熟度高並不能保證單機制造的整體技術成熟度達到高水平，因為還取決於其技術間的整合水平。因此，可對技術整合能力劃分級別，結合實際單機物件，完成具體單機整合技術成熟度評價。表7給出了一個單機整合技術成熟度等級劃分定義，可供單機整合技術成熟度評價中參考。
同時，上述單機整合技術成熟度等級劃分，可根據具體系統背景進行適當修訂，形成子系統、分析統、系統3個級別的各自9級技術成熟度評價定義。
4結束語
從目前的理論研究與實際應用情況看，都傾向於單一技術成熟度評估思維，即對系統某一級別物件完成獨立技術成熟度評估。這種做法雖然容易實現，但並不符合實際技術系統的整體結構關係。任何一個技術系統的先進性、成熟性、可靠性都依賴於各層次技術的情況及其技術整合能力，簡單的裝置技術與製造問題都可能影響到一個航天工程的安全效能。因此，本文認為應從最基本的單機構成要素為起點進行技術成熟度評價，進而按照逐層整合的方法完成一項航天工程整體技術系統成熟度的評估工作。本文的研究成果主要體現在思維與方法的創新價值，實際應用可能存在許多困難與複雜性，但其合理性是顯而易見的，希望能對航天工程特別是重大航天工程整體技術系統成熟度評估的實際工作產生有意義的影響。