航天工程系统技术成熟度评估方法研究

  1引言

  航天工程属于复杂系统,其系统结构复杂、运用技术复杂、组织管理复杂,任何一个微小的差错都可能造成工程实施的不成功。因此,技术成熟度问题首先在航天领域获得研究并在实践中得到广泛应用。美国国家航空航天局(NASA)基于阿波罗登月项目的实践,早在1969年就产生了要准确阐述未来空间系统应用新技术状态的观点。20世纪70年代中期,NASA引入技术成熟度等级(Technology Readiness Level, TRL)的概念以评估新技术的成熟度;20世纪70年代末,NASA产生了最早度量技术成熟度的标准—技术成熟度等级叫。1995年NASA出台《TRL白皮书》,将TRL分为9级,并制定了具体应用规范和程序。

此后,美国国防部(DoD)借鉴NASA评价标准,于2003出版了《TRL评估手册》,并要求所有重要国防采办计划中都必须应用TRL。西方其它国家学习美国经验,也在国防采办中积极推广TRL。例如,英国国防部(MoD)于2005年开发了技术嵌入度量标准(Technology Insertion Metric),包括技术成熟度(TRL)等级、系统(集成)成熟度等级(System (Integration)Readiness Level)、集成成熟度等级(Integration Maturity Level) 3个方面内容,并将这种度量标准应用于武器系统工程的各个阶段实践中;加拿大国防部(DND)于2006年开发出了原型的综合评估体系—技术成熟度体系(Technology Maturity Level System, TML System),并将其应用于加拿大国防部系统与设备采办的管理系统—国防管理系统(Defence Management System, DMS)中。

目前,技术成熟度方法不仅应用于军工领域,也被广泛应用在国民经济的各个行业中。不过,技术成熟度评估方法的研究与应用一直侧重于对单一技术的评估,从而在需要多种关键技术集成的复杂系统工程应用中产生了局限性。一些相关研究已经注意到了这个问题,并针对技术集成问题开展了某些技术集成成熟度评估方法研究。比如,一些学者提出了集成成熟度等级(IRI.)概念,认为不同技术之间进行组合或者技术集成时,要考虑集成的物理属性及各关键技术间相互作用、兼容性、可靠性、可维修性、可保障性等要素,完成对系统集成状态技术成熟度评估;一些学者通过建立技术单元体系结构,采用加权方法等直接计算技术集成成熟度。从一些学者探讨了武器装备体系层面的技术成熟度评估方法。航天工程的系统结构具有复杂的层次性,对应存在着实现其功能的技术系统结构,且技术与技术间以及技术模块间需要通过集成技术完成连接。因此,本文研究认为,航天工程系统的技术成熟度评估应遵循航天工程本身的技术实现系统,去构建逐层集成的技术成熟度评估体系,最终完成对航天工程的整体技术成熟度评估。

  2航天工程技术系统结构的一个分层次描述

  一项航天工程往往可以分解为若干个分系统,每个分系统又可以分解为多个子系统,每个子系统则由众多单机构成。比如,中国载人航天工程由航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、着陆场和空间实验室八大系统组成;就载人飞船分系统而言,它由推进舱、返回舱、轨道舱3个子系统构成;进一步从神舟号飞船的推进舱构成看,其安装有推进系统发动机和推进剂、飞船电源、太阳电池翼、环境控制和通信等系统、设备。可见,一项航天工程有着极其复杂的系统构成,其对应的技术系统也是十分复杂的。为此,可以对应于航天工程的系统组成,形成一个具有多层次结构的技术实现系统。其中,每一个层次技术都是通过下一级相关技术的集成而构成的一个技术集成体,因此每一个技术层中都包括了集成技术;就底层的单机技术而言,它可以分解为设计、材料、工艺、方法、设备、单机集成技术6类基本构成要素。

  3单机构成中的要素技术成熟度评价

  技术成熟度等级一般划分为9级,例如在美国国防部2009年版的《技术成熟度评估案头书》中,将技术成熟度等级划分为9级。 按照9级评价标准,可以针对某一具体航天工程单机构成中的要素技术成熟度首先给出评价,进而自下而上逐层汇总评价结果,最终得出整体系统的技术成熟度评价。

  1)设计成熟度评价

  设计的技术层次包括3个层面:物理原理设计—结构设计—工艺设计。参照技术成熟度9级划分方法,可将航天单机设计成熟度定义为9级。设计工作中,针对一个具体的单机可依据表2级别定义做出其设计成熟度等级评价。

  2)材料成熟度评价

  航天工程中使用的材料复杂,且许多材料是特种材料、新发明的材料。因此,确认材料的成熟度对工程实施的可靠性极为重要。材料的应用通常采用积木式方法逐步验证和实施,即对材料从试件、元件、组件、部件,直到全尺寸部件结构都需要进行严格考核叫。 在此,可结合积木式方法的实施步骤,将单机使用材料的技术成熟度按9个等级划分

  3)工艺成熟度评价

  产品制造工艺成熟程度:主要表现在产品工艺对设计要求的实现程度及其自身的完善程度,特别是产品制造工艺所达到的可操作、可量化、可检测、可重复程度,以及由不同时间、不同地点、不同人员生产出的产品的一致性程度,其核心在于工艺关键特性的识别、确定及其验证的充分性。 可考虑工艺状态、工艺基础、工艺实施和保障条件等内容维度,依据9级成熟度评价模型定义制造工艺成熟度等级划分。在具体的评价中,每个维度确立典型评价要素,确定成熟度模型中每一级的评价标准,进而针对实际单机对象作出成熟度评价。

  4)方法成熟度评价

  方法在技术成熟度评价中常常被轻视,而它涉及的方面很多,且是技术成熟程度的一个重要环节。比如,方法可体现在可靠性评价、质量控制、模型化、仿真能力、测试,概念模型、仿真模型、仿真结果分析、工艺模型等诸多方面。 同理,可以依据9级成熟度评价模型定义方法成熟程度等级划分,据此可以评价实际单机制造的方法成熟度。

  5)设备成熟度评价

  设备成熟度评价是对航天工程制造应用的设备成熟度给出评价,以主要体现为完整的生产设备及制造能力。航天工程单机制造使用设备的9级成熟度等级划分。

  6)单机集成技术成熟度评价

  单机制造会涉及多种技术运用,每项单一技术的成熟度高并不能保证单机制造的整体技术成熟度达到高水平,因为还取决于其技术间的集成水平。因此,可对技术集成能力划分级别,结合实际单机对象,完成具体单机集成技术成熟度评价。 同时,上述单机集成技术成熟度等级划分,可根据具体系统背景进行适当修订,形成子系统、分析统、系统3个级别的各自9级技术成熟度评价定义。

  5结束语

  从目前的理论研究与实际应用情况看,都倾向于单一技术成熟度评估思维,即对系统某一级别对象完成独立技术成熟度评估。这种做法虽然容易实现,但并不符合实际技术系统的整体结构关系。任何一个技术系统的先进性、成熟性、可靠性都依赖于各层次技术的情况及其技术集成能力,简单的装置技术与制造问题都可能影响到一个航天工程的安全性能。因此,本文认为应从最基本的单机构成要素为起点进行技术成熟度评价,进而按照逐层集成的方法完成一项航天工程整体技术系统成熟度的评估工作。本文的研究成果主要体现在思维与方法的创新价值,实际应用可能存在许多困难与复杂性,但其合理性是显而易见的,希望能对航天工程特别是重大航天工程整体技术系统成熟度评估的实际工作产生有意义的影响。

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