航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價方法研究

李 瑤

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

技術(shù)成熟度評價(TRA)是美國國防部和NASA在國防采辦和科研管理中廣泛采用的一種評估工具，也是產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)研究承擔機構(gòu)作為技術(shù)評估的手段。通過TRA能夠有效控制產(chǎn)品發(fā)展和系統(tǒng)采辦的風(fēng)險。

技術(shù)成熟度(TR)是指技術(shù)相對于某個具體系統(tǒng)或項目來說所處的發(fā)展狀態(tài)，它反映了技術(shù)對于項目預(yù)期目標的滿足程度。任何一項技術(shù)都必然有一個發(fā)展和驗證的過程。在技術(shù)成熟度評價體系中往往根據(jù)技術(shù)達到的成熟水平分成不同的等級。技術(shù)成熟度等級(TRL)是指對技術(shù)成熟程度進行量度和評測的一種標準，將技術(shù)從萌芽狀態(tài)到成功應(yīng)用于系統(tǒng)的整個過程劃分為幾個階段，為管理層和科研單位提供了一種統(tǒng)一的標準化通用語言。技術(shù)成熟度評價方法是采用TRL對技術(shù)的成熟度進行評價的一套方法、流程和程序，它是采用TRL和一個系統(tǒng)化的實施程序來完成技術(shù)成熟度評價報告的一個過程。

20世紀80年代，美國NASA將技術(shù)成熟度用于評估技術(shù)發(fā)展的風(fēng)險，最初將技術(shù)成熟度分為7級，主要應(yīng)用于航天技術(shù)領(lǐng)域。1995年，NASA航天評估和技術(shù)辦公室發(fā)表白皮書，將技術(shù)成熟度評估納入NASA管理指南，用于評估特定技術(shù)的成熟度，以判斷不同技術(shù)對同一項目目標的滿足程度，并將TRL分成9級。1999年，美國國防部引入類似的TRL概念，并在2001年正式確定在新項目中采用TRL管理。

航空發(fā)動機作為技術(shù)高度復(fù)雜的綜合集成系統(tǒng)，其研制存在很大的風(fēng)險，其中新技術(shù)應(yīng)用所帶來的風(fēng)險可能導(dǎo)致項目進度滯后、研制成本增加甚至項目失敗。但是為了使發(fā)動機產(chǎn)品提升性能和可靠性，又必須采用新技術(shù)，因而風(fēng)險控制就非常關(guān)鍵。技術(shù)成熟度評價是降低研制風(fēng)險的有效途徑，在國外航空發(fā)動機研制、技術(shù)發(fā)展過程中已得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了美國國防部技術(shù)成熟度評價方法和國外航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價的現(xiàn)狀，提出了我國開展航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價的設(shè)想和初步的評價方法。

2 美國國防部的技術(shù)成熟度評價方法

美國國防部規(guī)定在所有的項目采辦中強制實施TRA，其TRL評價方法來源于NASA在項目評審中采用的方法。

2.1 技術(shù)成熟度評價流程

TRA的評價流程包括識別關(guān)鍵技術(shù)元素(CTE)和評價CTE的成熟度兩個大的階段。

(1)識別CTE

CTE的識別是TRA的基礎(chǔ)，由項目經(jīng)理總負責。判斷CTE的原則是：一種全新或新穎的技術(shù)元素，或者被以全新或新穎的方式使用的技術(shù)元素，對實現(xiàn)系統(tǒng)成功開發(fā)、系統(tǒng)采辦，或?qū)ψ鲬?zhàn)實用性所必需的，這種技術(shù)元素就是CTE。

CTE的識別分為兩個階段，第一階段由項目經(jīng)理根據(jù)項目工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)提出候選的CTE清單，第二階段由一個獨立小組確定最終的CTE。確定候選技術(shù)是否是CTE，必須回答以下8個問題：

①該技術(shù)是否直接影響作戰(zhàn)需求？

②該技術(shù)是否對改進交付進度有顯著影響？

③該技術(shù)是否對系統(tǒng)的成本有顯著影響？

④如果是一種螺旋發(fā)展，該技術(shù)對于滿足交付是不是基本技術(shù)？

⑤該技術(shù)是否是新技術(shù)？

⑥該技術(shù)是否經(jīng)過修改？

⑦該技術(shù)是否被用于滿足新的環(huán)境要求？

⑧該技術(shù)是否可在一個環(huán)境中工作，實現(xiàn)超過其原先設(shè)計意圖的性能和/或被驗證的能力？

某項技術(shù)要成為CTE，前4個問題的答案必須是“是”，后4個問題必須有至少一個問題的答案是“是”。

(2)評價CTE的成熟度

在確定系統(tǒng)的CTE后，成立一個獨立小組來負責評價其成熟度。首先對獨立小組成員進行培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括對系統(tǒng)的全面介紹、TRA流程、識別CTE的準則及TRL評估實例。

對所有CTE做出TRA后，獨立小組須提交TRA評價報告。TRA報告由項目承擔單位負責技術(shù)的官員批準，同時由承擔單位負責采辦的官員簽署。在TRA報告的結(jié)論中，必須陳述負責技術(shù)的官員對TRA的意見，說明該系統(tǒng)的成熟度是否滿足進入下一階段研發(fā)的要求，如果某些CTE的技術(shù)成熟度低于規(guī)定的等級，技術(shù)官員可以給出支持其進入下一階段的意見，但必須說明原因并提交每個不滿足要求的CTE的技術(shù)發(fā)展計劃。

2.2 技術(shù)成熟度等級

美國國防部的評估標準與NASA的標準基本相同，均將技術(shù)成熟度分為9級等級，并明確了每一等級的定義和標準。但它們也存在一定的差別，如NASA規(guī)定在系統(tǒng)飛行之前技術(shù)必須達到6級，而國防部規(guī)定技術(shù)必須達到7級才能進入武器系統(tǒng)。對硬件、軟件和制造技術(shù)分別進行了成熟度等級定義，以下是對硬件的TRL定義。

TRL1：基本原理被發(fā)現(xiàn)和被報告。科學(xué)理論開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究。

TRL2：技術(shù)概念和用途被闡明。理論是推測性的，尚未經(jīng)過詳細分析和驗證。

TRL3：關(guān)鍵功能和特性的概念驗證。開始應(yīng)用研究，開展實驗室研究，硬件包括未集成的部件。

TRL4：實驗室環(huán)境下的基礎(chǔ)部件/原理樣機驗證。與最終系統(tǒng)采用的部件相比，部件“保真度”較低。

TRL5：相關(guān)環(huán)境下的部件/原理樣機驗證。部件試驗環(huán)境達到“高保真度”。

TRL6：相關(guān)環(huán)境下的系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或樣機驗證。系統(tǒng)在“高保真度”的實驗室環(huán)境或仿真的作戰(zhàn)環(huán)境下進行試驗。

TRL7：模擬使用環(huán)境下的原型機驗證。原型機在模擬作戰(zhàn)環(huán)境下驗證。

TRL8：系統(tǒng)完成技術(shù)試驗和驗證。系統(tǒng)研制階段結(jié)束。

TRL9：系統(tǒng)完成使用驗證。系統(tǒng)以其最終的形式在作戰(zhàn)試驗中得到驗證。

3 國外航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價介紹

技術(shù)成熟度評價在美國的航空發(fā)動機研制及其技術(shù)研究中得到廣泛應(yīng)用，美國國防部在航空發(fā)動機采辦中要進行技術(shù)成熟度評價。NASA作為世界上最先應(yīng)用技術(shù)成熟度的機構(gòu)，在航空發(fā)動機技術(shù)研究項目上同樣采用TRL作為重要的管理工具。

3.1 NASA航空發(fā)動機技術(shù)研究項目的技術(shù)成熟度評價

上世紀90年代，NASA聯(lián)合工業(yè)部門開展了先進亞聲速技術(shù)(AST)推進系統(tǒng)項目，目標是為使未來推進系統(tǒng)提高環(huán)境適應(yīng)性提供技術(shù)儲備，這些技術(shù)的技術(shù)成熟度要求達到TRL6。其中NOx排放比1996 ICAO的標準低50%。AST計劃研究和驗證的技術(shù)范圍為TRL2至TRL6。NASA與P&W研究中，低污染燃燒室技術(shù)分以下四步達到要求的TRL6：

(1)頭部概念驗證，技術(shù)達到TRL3，1994-1995年度完成驗證，測量的NOx排放降低50%～70%；

(2)在扇形燃燒室上驗證，技術(shù)達到TRL4，1996-1997年度完成驗證，測量的NOx排放降低64%；

(3)在全環(huán)燃燒室上驗證，技術(shù)成熟度達到TRL5，1997-1998年度完成驗證，測量的NOx排放降低55%～58%；

(4)在發(fā)動機上驗證，技術(shù)成熟度達到TRL6，驗證平臺為PW4000發(fā)動機，1999年完成驗證，測量的NOx排放降低50%～52%。

從上面可以看出，作為未來先進的民用航空發(fā)動機的一項CTE，低污染燃燒室技術(shù)完成重要的頭部試驗驗證并達到預(yù)定的排放指標，由于頭部性能是控制排放的關(guān)鍵，故可以認為完成了關(guān)鍵功能和特性的概念驗證，達到TRL3；在完成扇形試驗件驗證后，技術(shù)達到TRL4，按照評價標準，TRL4要求達到實驗室環(huán)境下的基礎(chǔ)部件/原理樣機驗證，通過這一實例了解了基礎(chǔ)部件的基本含義，此時可認為部件“保真度”較低。而全尺寸、真實環(huán)境的部件驗證是達到TRL5的前提；在發(fā)動機上完成驗證，意味著達到TRL6，這是一般預(yù)研項目要求達到的最高等級，也表明這項技術(shù)可以應(yīng)用于工程發(fā)展階段，也就是常說的型號階段。在AST項目中驗證并達到TRL6后，低污染燃燒室技術(shù)在型號產(chǎn)品上得到了很好的應(yīng)用。

3.2 P&W公司的技術(shù)成熟度評價

作為世界三大航空發(fā)動機研發(fā)的巨頭之一，P&W公司特別重視技術(shù)成熟度的評價和管理，公司制定了航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價標準，在產(chǎn)品研制和技術(shù)研究中把TRA作為降低技術(shù)風(fēng)險的重要手段。

P&W和MTU聯(lián)合實施了 “聯(lián)合技術(shù)驗證機項目”(JTDP)，目的是驗證先進技術(shù)以支持下一代發(fā)動機產(chǎn)品發(fā)展。JTDP項目中采用技術(shù)成熟度管理，JTDP第一個驗證項目是6級高壓壓氣機，MTU在EJ200發(fā)動機5級高壓壓氣機的基礎(chǔ)上，利用E3E計劃發(fā)展了一臺6級高壓壓氣機，并于1997年進行了試驗驗證(達到TRL4)。之后，按照PW6000發(fā)動機的要求進行了改進，完成了HDV12壓氣機設(shè)計，并在MTU的高溫進氣壓氣機試驗臺上進行了試驗，獲得成功(達到TRL5)。P&W和MTU決定將該壓氣機應(yīng)用于PW6000發(fā)動機，并在P&W公司的高空臺上對裝在PW6000驗證機(JTDP01)上的HDV12壓氣機進行了試驗，驗證了最大巡航狀態(tài)(低雷諾數(shù)條件)和熱天起飛狀態(tài)、冷天起動狀態(tài)等的性能，使6級高壓壓氣機技術(shù)達到TRL6，具備在產(chǎn)品研制中應(yīng)用的條件。通過每一步嚴格的工作和TRL評價，使該壓氣機部件在較短時間內(nèi)逐步成熟，解決了困擾PW6000發(fā)動機的最大技術(shù)瓶頸。

TRL6是P&W公司最重視的一個成熟度等級，因為只有達到TRL6，技術(shù)才能在工程發(fā)展階段得到應(yīng)用。P&W公司對TRL6的定義是：

(1)建立了流程和設(shè)計準則；

(2)在設(shè)計環(huán)境下完成了系統(tǒng)級試驗驗證；

(3)設(shè)計工具在產(chǎn)品應(yīng)用范圍內(nèi)得到定義和鑒定；

(4)建立了產(chǎn)品制造工藝和供應(yīng)鏈；

(5)相關(guān)的支撐能力確定。

在型號研制中允許有部分技術(shù)未達到TRL6，但需要開展專門的技術(shù)攻關(guān)。

4 航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價方法探討

由于新型航空發(fā)動機研制一般都面臨巨大的技術(shù)風(fēng)險，作為風(fēng)險管理的一個重要手段，將TRA引入國內(nèi)航空發(fā)動機預(yù)先研究和型號研制將是必然趨勢。TRA不但是用戶訂貨和管理的需要，更重要的是項目研究團隊自身控制技術(shù)風(fēng)險的需要。

4.1 航空發(fā)動機技術(shù)成熟度分級定義

參考NASA和美國國防部的TRL等級定義，我國同樣可以將航空發(fā)動機技術(shù)成熟度分為9個等級。結(jié)合航空發(fā)動機自身的特點，等級定義如下：

TRL1：基本原理提出和發(fā)現(xiàn)；

TRL2：技術(shù)應(yīng)用研究；

TRL3：完成概念驗證，如葉柵試驗、燃燒室頭部試驗等；

TRL4：完成模擬部件試驗，如壓氣機性能試驗，燃燒室扇形試驗；

TRL5：完成部件/核心機試驗，指全尺寸、全狀態(tài)部件試驗；

TRL6：完成系統(tǒng)水平驗證，驗證機試驗，包括驗證機高空臺試驗；

TRL7：完成飛行試驗驗證；

TRL8：發(fā)動機定型/取證；

TRL9：完成使用驗證。

以上只是對各等級進行了定義，每一等級還需制定詳細的標準和要求，特別是在完成規(guī)定的驗證的同時，要對設(shè)計工具與規(guī)范、制造水平、特定技術(shù)的驗證等做出規(guī)定。

4.2 航空發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)元素

不同項目具有不同的CTE。首先，CTE有不同的級別，對于航空發(fā)動機整機技術(shù)，或部件技術(shù)，或單項技術(shù)，CTE識別是不同的；同樣，對于航空發(fā)動機整機，不同項目由于采用的技術(shù)差異，CTE也會存在一定的差異。

以類似于F119發(fā)動機的第四代飛機動力為例，提取的CTE可包括以下12項：總體性能、總體結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇、高壓壓氣機、主燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、加力燃燒室、矢量噴管、控制系統(tǒng)、隱身技術(shù)和其它系統(tǒng)。

將12項CTE進一步分解，可以得到數(shù)百乃至上千個子技術(shù)元素，在子技術(shù)元素中，第四代發(fā)動機的先進技術(shù)會得到充分體現(xiàn)，如總體性能技術(shù)中包括不加力超聲速巡航性能，風(fēng)扇技術(shù)中包括空心風(fēng)扇葉片技術(shù)，高壓壓氣機中包括三維氣動設(shè)計技術(shù)，高壓渦輪中包括單晶氣冷葉片技術(shù)等。

4.3 航空發(fā)動機技術(shù)成熟度模擬評價

下面以上節(jié)中確定的CTE高壓壓氣機為例，對其做初步的技術(shù)成熟度評價。假設(shè)開展高壓壓氣機技術(shù)研究，項目名稱為HPC01，目標是該壓氣機在發(fā)動機上得到技術(shù)驗證，達到TRL6。

第一步，將高壓壓氣機部件技術(shù)分解出關(guān)鍵子技術(shù)，包括以下9項：三維氣動設(shè)計、氣動穩(wěn)定性、整體葉盤、高溫鈦合金轉(zhuǎn)子、防鈦火、間隙控制、靜子葉片調(diào)節(jié)、強度壽命和維修性。

第二步，進行技術(shù)成熟度評價，評價工作必須收集大量證據(jù)，根據(jù)制定的評價標準進行評估。本文的評估在一個虛擬項目下進行，因而只給出評價結(jié)論。假定該項目完成了部件性能試驗，以及主要零部件的強度試驗，尚未在發(fā)動機上驗證。

三維氣動設(shè)計：該技術(shù)在之前的多個風(fēng)扇、壓氣機上得到應(yīng)用，并在現(xiàn)役發(fā)動機上應(yīng)用，HPC01壓氣機已經(jīng)完成性能試驗，達到設(shè)計要求，可以認為達到TRL5。

氣動穩(wěn)定性：該技術(shù)在多個發(fā)動機上得到驗證，HPC01壓氣機已經(jīng)進行進口流場畸變試驗，達到設(shè)計要求，可以認為達到TRL5。

整體葉盤：整體葉盤隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但離心負荷和溫度負荷均未達到設(shè)計要求；葉盤經(jīng)過超轉(zhuǎn)試驗考核，性能試驗中安排了葉片動應(yīng)力測量?？梢哉J為達到TRL4。

高溫鈦合金轉(zhuǎn)子：高溫鈦合金轉(zhuǎn)子隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但離心負荷和溫度負荷均未達到設(shè)計要求；轉(zhuǎn)子經(jīng)過超轉(zhuǎn)試驗考核?？梢哉J為達到TRL4。

防鈦火：鈦合金構(gòu)件隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但未達到著火的環(huán)境條件；防鈦火設(shè)計技術(shù)在其它發(fā)動機上得到驗證，結(jié)構(gòu)與HPC01壓氣機類似?？梢哉J為達到TRL3。

間隙控制：間隙設(shè)計技術(shù)已有規(guī)范，且在其它發(fā)動機上得到驗證，HPC01壓氣機性能試驗只對間隙進行了初步考核?？梢哉J為達到TRL3。

靜子葉片調(diào)節(jié)：靜子葉片調(diào)節(jié)(含調(diào)節(jié)機構(gòu))設(shè)計技術(shù)已有規(guī)范，且在其它發(fā)動機上得到驗證，HPC01壓氣機性能試驗對調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了初步考核?？梢哉J為達到TRL4。

強度壽命：強度壽命設(shè)計按規(guī)范進行，結(jié)構(gòu)隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但離心負荷和溫度負荷均未達到設(shè)計要求；主要零部件經(jīng)過強度試驗考核。可以認為達到TRL3。

維修性：壓氣機根據(jù)單元體要求設(shè)計，考慮了發(fā)動機維修要求；已經(jīng)進行的裝配分解初步驗證了設(shè)計，可以認為達到TRL3。

則綜合評估結(jié)果為：HPC01高壓壓氣機完成了部件性能考核，達到設(shè)計要求，并進行了主要零部件的性能試驗，部分與性能相關(guān)的子技術(shù)達到TRL5，主要結(jié)構(gòu)技術(shù)達到TRL4，綜合評估HPC01高壓壓氣機達到TRL4。對于只達到TRL3的子技術(shù)，提出以下處理措施：

(1)在HPC01高壓壓氣機進入發(fā)動機上驗證之前，提出防鈦火設(shè)計技術(shù)專題研究報告，就試驗安全性提出依據(jù)；在配裝該壓氣機的發(fā)動機完成主要工作狀態(tài)試驗(包括高空臺試驗)后，可以認為達到TRL6。

(2)在HPC01高壓壓氣機進入發(fā)動機上驗證之前，在部件試驗上增加間隙測量，完成測量后對間隙設(shè)計進行再次評估和修改；在發(fā)動機主要工作狀態(tài)試驗(包括高空臺試驗)完成后，可以認為達到TRL6。

(3)在HPC01高壓壓氣機進入發(fā)動機上驗證之前，提出壓氣機強度壽命專題研究報告，就試驗安全性提出依據(jù)；在發(fā)動機主要工作狀態(tài)試驗(包括高空臺試驗)完成后，可以認為達到TRL6。

(4)維修性未達到TRL4，允許HPC01壓氣機進入下階段在發(fā)動機上的考核；在發(fā)動機主要工作狀態(tài)試驗(包括高空臺試驗)完成后，可以認為達到TRL4。

[1]Sauser B，Marquez J R，Verma D，et al.From TRL to SRL:The Concept of Systems Readiness Levels[R].Conference on Systems Engineering Research，2006.

[2]Mankins J C.Technology Readiness Levels—A White Paper[R].NASA Space Access and Technology Office，1995.

[3]Rohde J.Overview of the NASA AST and UEET Emissions Reduction Projects[R].NASA Glenn Research Center，2002.

[4]Valerdi R，Kohl R J.An Approach to Technology Risk Management[A].//Engineering Systems Division Symposium.Cambridge，2004.

[5]Schweitzer J K，Anderson J S，Scheugenpflug H，et al.Validation of Propulsion Technologies and New Engine Concepts in a Joint Technology Demonstrator Program[R].XVII ISABE 2005-1002，2005.