技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)在航天器地面環(huán)境試驗(yàn)中的應(yīng)用

孫繼鵬，姜利祥，李 濤，舒 靖，于兆吉，郎冠卿

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；3. 中國空間技術(shù)研究院：北京 100094）

0 引言

航天器地面環(huán)境試驗(yàn)是航天器研制過程中的重要環(huán)節(jié)，是航天器出廠前最后一道關(guān)。盡管近年來航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)有了長足發(fā)展，但也出現(xiàn)了因關(guān)鍵技術(shù)未攻克而影響航天器研制進(jìn)度或研制成本提高，新技術(shù)、新方法遲遲不能向工程化轉(zhuǎn)變，技術(shù)研發(fā)與型號(hào)需求脫節(jié)等情況。其主要原因之一是技術(shù)的成熟度未滿足型號(hào)預(yù)期需求，給型號(hào)研制帶來進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。朱毅麟研究員曾研究過技術(shù)成熟度對航天器研制進(jìn)度的影響，給出進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度余量與技術(shù)成熟度的關(guān)系。以技術(shù)成熟度為6級(jí)（即系統(tǒng)/分系統(tǒng)原理樣機(jī)或工程樣機(jī)在相關(guān)環(huán)境[地面或?qū)嶒?yàn)室]下得到驗(yàn)證）為例說明進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)度余量的關(guān)系：如果型號(hào)任務(wù)可接受的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分別為 50%、20%、5%，則所需要的進(jìn)度余量則分別為30%、42%、56%[1]。由此可見在較低技術(shù)成熟度的情況下，為保證預(yù)期研制進(jìn)度，需要承受由足夠的進(jìn)度余量帶來的巨大成本。

本研究旨在將技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)引入航天器地面環(huán)境試驗(yàn)的管理，為降低風(fēng)險(xiǎn)提供一個(gè)有效的管理工具。

1 技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)的概念

技術(shù)成熟度（technology readiness, TR或technology maturity, TM），又稱技術(shù)就緒程度、技術(shù)完備程度或技術(shù)準(zhǔn)備程度，是衡量技術(shù)狀態(tài)滿足項(xiàng)目預(yù)期發(fā)展目標(biāo)的程度。技術(shù)成熟度等級(jí)（technology readiness level, TRL）是對一項(xiàng)技術(shù)的成熟度水平的標(biāo)準(zhǔn)度量。技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)（technology readiness assessment, TRA）是指基于技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)項(xiàng)目或系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)元素（critical technology elements, CTEs）成熟度的過程，其目的是通過對與關(guān)鍵技術(shù)元素成熟度有關(guān)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行評(píng)估分析，確定這些技術(shù)當(dāng)前已發(fā)展到何種程度[2]。

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)概念最早由NASA于1995年提出，2001年美國國防部（DOD）將技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用于美國國防裝備項(xiàng)目的采辦管理，英國隨后也將其納入國防裝備采辦管理中。一項(xiàng)新技術(shù)剛被發(fā)明或概念化時(shí)并不能立即投入應(yīng)用，通常要進(jìn)行試驗(yàn)、改進(jìn)以及不斷的測試，只有在它得到充分驗(yàn)證后才能被納入到系統(tǒng)或分系統(tǒng)中。經(jīng)過英國和美國的不斷研究和應(yīng)用，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)逐漸被美國政府機(jī)構(gòu)和世界上許多大公司或機(jī)構(gòu)應(yīng)用和推廣，應(yīng)用范圍涉及從硬件到軟件，從單向技術(shù)到系統(tǒng)，并產(chǎn)生系統(tǒng)集成成熟度、制造成熟度、接口成熟度、軟件能力成熟模型、（項(xiàng)目）管理成熟度等諸多概念。技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是一個(gè)技術(shù)管理工具，也是一個(gè)項(xiàng)目管理工具、風(fēng)險(xiǎn)管理工具，為不同的技術(shù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)，它應(yīng)用于項(xiàng)目或產(chǎn)品開發(fā)之前，準(zhǔn)確描述了技術(shù)狀態(tài)在技術(shù)生命周期中的位置，能有效評(píng)估和控制項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2 美軍技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用情況

20世紀(jì)90年代，美國許多武器型號(hào)在研制過程中出現(xiàn)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重超支、工期延誤甚至中途下馬的現(xiàn)象。1999年美國審計(jì)署在對大量成功的和出現(xiàn)問題的項(xiàng)目進(jìn)行分析后，認(rèn)為一些重要技術(shù)尚未成熟到一定程度就進(jìn)入工程研制階段是導(dǎo)致項(xiàng)目出現(xiàn)問題的重要原因。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：采用欠成熟技術(shù)項(xiàng)目的研發(fā)成本平均要超支34.9%，而采用成熟技術(shù)項(xiàng)目的研發(fā)成本平均超支只有4.8%[3]。為此，美國審計(jì)署建議國防部，對重大國防采辦項(xiàng)目，在項(xiàng)目研制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，要對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，避免不夠成熟的關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)入下一階段，從而達(dá)到控制風(fēng)險(xiǎn)的目的。2001年美國國防部下令在重大項(xiàng)目的國防采辦中使用技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，并將其作為轉(zhuǎn)階段的重要要求。

美國國防部將TRA作為武器裝備采辦過程的重要評(píng)價(jià)工具和控制手段，它規(guī)定：在裝備研制過程（見圖1）的里程碑A之前達(dá)到TRL4級(jí)（建議性要求），里程碑B之前達(dá)到TRL6級(jí)（強(qiáng)制性要求），里程碑C之前達(dá)到TRL 7級(jí)（建議性要求），每一個(gè)TRL也有明確定義，如表1所示[4]。美國審計(jì)署將TRL作為評(píng)價(jià)國防項(xiàng)目的三個(gè)準(zhǔn)則之一，定期對重大國防采辦項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，每年向美國國會(huì)報(bào)告重大國防采辦項(xiàng)目的進(jìn)展情況。

圖1 美軍武器裝備研制過程Fig. 1 Weapon development process of the US military army

表1 美國國防部技術(shù)成熟度等級(jí)定義Table 1 Definition of TRL used by US DOD

2001年，NASA對新一代可重復(fù)使用航天飛行器技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)（見表 2[2]）和無損檢測技術(shù)評(píng)價(jià)（見表3[2]）。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果：認(rèn)為結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)還需要更大的進(jìn)步才能促使可重復(fù)使用航天器取代現(xiàn)在的航天飛機(jī)；先進(jìn)熱學(xué)分析法運(yùn)用在簡單的結(jié)構(gòu)和簡單的復(fù)合結(jié)構(gòu)中的 TRL都為9，而運(yùn)用在復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)中的TRL都為4，由此可見某項(xiàng)技術(shù)的成熟度視應(yīng)用對象不同而具有相對性。

表2 NASA對新一代可重復(fù)使用航天器的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 NASA TRA for new reusable spacecraft

表3 NASA對無損檢測技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果（灰色指尚無應(yīng)用）Table 3 NASA TRA for the nondestructive technology (gray means not yet in applications)TRL

3 中國技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用情況

近幾年，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)也引起了我國相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視并在國防重大科技工程中得以應(yīng)用，但目前還處于初級(jí)階段。2009年發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)《科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目評(píng)價(jià)通則》（GB/T 22900—2009）[5]明確了TRL的定義以及基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、應(yīng)用研究項(xiàng)目、開發(fā)研究項(xiàng)目的9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。2010年總裝備部發(fā)布了《裝備預(yù)研技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法》，提出了武器裝備的技術(shù)成熟度9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（如表4所示）作為提高科學(xué)管理與決策水平的工具和手段，應(yīng)用于裝備預(yù)研計(jì)劃安排的各類項(xiàng)目的重要節(jié)點(diǎn)的管理、關(guān)鍵技術(shù)的選擇及技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)的開展。

表4 中國裝備技術(shù)成熟度等級(jí)定義Table 4 The definition of TRL used in China

該TRL與武器裝備全壽命發(fā)展各階段的基本對應(yīng)關(guān)系為：完成應(yīng)用基礎(chǔ)研究，技術(shù)成熟度可達(dá)到3級(jí)；完成應(yīng)用研究，可達(dá)到4～5級(jí)；完成先期技術(shù)開發(fā)，可達(dá)到5～6級(jí)；完成工程研制設(shè)計(jì)定型，可達(dá)到7級(jí)；完成生產(chǎn)定型，可達(dá)到8級(jí)；完成裝備部隊(duì)使用，可達(dá)到9級(jí)。其與裝備研制的“四個(gè)一代”的關(guān)系為：“探索一代”對應(yīng)于TRL1～4級(jí)；“預(yù)研一代”對應(yīng)于TRL3～5級(jí)，“研制一代”對應(yīng)于 TRL6～7級(jí)，“生產(chǎn)一代”對應(yīng)于TRL8～9級(jí)。該TRL可概括為三大臺(tái)階：1～3級(jí)，進(jìn)行并完成前期概念探索與論證；4～5級(jí)，進(jìn)行裝備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；從 7～9級(jí)，進(jìn)行并完成裝備產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用。

4 技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)在航天器環(huán)境試驗(yàn)中的應(yīng)用

4.1 航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)成熟度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)屬于共性技術(shù)、單項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，具有多樣性和通用性，技術(shù)的實(shí)施在地面進(jìn)行且具有可更改、可維修、可測性、可標(biāo)定性等特點(diǎn)。航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)一般不以產(chǎn)品實(shí)物形式為最終交付物，而是多為方法、工藝、技巧等成果形式的“軟”產(chǎn)品或稱技術(shù)服務(wù)，方法、工藝、技巧實(shí)施過程中的工藝裝備、儀器儀表屬于地面支持設(shè)備，這些支持設(shè)備一般不受尺寸大小、重量、功耗、熱控等指標(biāo)的嚴(yán)格限制，因此在技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上與以產(chǎn)品為對象的評(píng)價(jià)略有不同。

要建立航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)成熟度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，就要明確航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)最終的發(fā)展目標(biāo)是什么，即最后一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)生命周期最終的目標(biāo)是應(yīng)用于航天器型號(hào)研制，并具有一定的廣泛性。參考國內(nèi)外技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展規(guī)律制定的航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)成熟度等級(jí)如表5所示。

表5 航天器地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)成熟度等級(jí)建議Table 5 TRL for spacecraft ground environment experiment technology

例如：某項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)初樣星上進(jìn)行了應(yīng)用，但在試驗(yàn)條件的制定方面還有待研究，尚未在正樣型號(hào)試驗(yàn)上應(yīng)用，所以TRL按此標(biāo)準(zhǔn)為5；某項(xiàng)熱試驗(yàn)技術(shù)分別通過了模型和1/3縮比模型的試驗(yàn)驗(yàn)證，但仍未在初樣中應(yīng)用，所以TRL為4；某項(xiàng)磁應(yīng)用技術(shù)是2013年提出的項(xiàng)目，只進(jìn)行了部分地面原理驗(yàn)證試驗(yàn)，因此TRL在1～2之間。

4.2 技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)的應(yīng)用

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)實(shí)施過程的主要環(huán)節(jié)包括：

1）項(xiàng)目技術(shù)分解，參考工作分解結(jié)構(gòu)，按系統(tǒng)、子系統(tǒng)兩個(gè)層次分解；

2）識(shí)別和明確項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)，選擇被評(píng)價(jià)技術(shù)；

3）依據(jù)技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合項(xiàng)目具體特點(diǎn)，細(xì)化技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；

4）按照提供的信息，組織專家組按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對每一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，確定成熟度等級(jí)；

5）根據(jù)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)成熟度評(píng)定的等級(jí)，進(jìn)行項(xiàng)目綜合評(píng)價(jià)，形成評(píng)價(jià)結(jié)論，提出后續(xù)工作建議。

在項(xiàng)目管理中，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工具的應(yīng)用在不同的階段也有不同的目的。

在項(xiàng)目立項(xiàng)前，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是項(xiàng)目決策的一個(gè)工具。技術(shù)成熟度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為項(xiàng)目目標(biāo)選擇的參考依據(jù)，項(xiàng)目的立項(xiàng)要有明顯的階段性，里程碑節(jié)點(diǎn)要清晰，或者說立項(xiàng)的目標(biāo)不能介于兩個(gè)成熟度之間，這樣在經(jīng)費(fèi)投入和風(fēng)險(xiǎn)控制上就有明確的依據(jù)。2013年北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研發(fā)立項(xiàng)中利用技術(shù)成熟度進(jìn)行分類設(shè)立題目，立項(xiàng)類別包括基金項(xiàng)目、應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目、宇航產(chǎn)品開發(fā)和重大專項(xiàng)4大類，其中：基金項(xiàng)目類重點(diǎn)支持基礎(chǔ)性的探索研究；應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目主要支持型號(hào)科研生產(chǎn)攻關(guān)類的應(yīng)用研究和共性技術(shù)研究；宇航產(chǎn)品開發(fā)則按產(chǎn)品技術(shù)成熟度分為方案研究、原理樣機(jī)研制和工程樣機(jī)研制；重大專項(xiàng)主要是為了爭取重大項(xiàng)目，將系統(tǒng)分解為多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，針對技術(shù)成熟度較低的關(guān)鍵技術(shù)開展先期技術(shù)攻關(guān)。不同類的項(xiàng)目采用不同的項(xiàng)目管理方法。

在項(xiàng)目結(jié)束后，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是項(xiàng)目后評(píng)價(jià)的一個(gè)工具。評(píng)價(jià)結(jié)果可對項(xiàng)目進(jìn)行考核和成果認(rèn)定，并為后續(xù)的發(fā)展決策提供依據(jù)。在工程轉(zhuǎn)化前，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是研發(fā)成果進(jìn)入型號(hào)研制的準(zhǔn)入管理工具，是型號(hào)質(zhì)量控制的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有通過評(píng)價(jià)，才能認(rèn)定新技術(shù)成果是否可應(yīng)用到型號(hào)中去。

技術(shù)成熟度的另一個(gè)應(yīng)用就是技術(shù)發(fā)展路線圖的編制。分解某項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，繪制關(guān)鍵技術(shù)全景圖，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)，進(jìn)而繪制關(guān)鍵技術(shù)成熟度全景圖，然后依據(jù)成熟度的高低，確定技術(shù)短板和技術(shù)發(fā)展優(yōu)先級(jí)，從而描繪出關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展路線全景圖。

5 結(jié)束語

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是一個(gè)科學(xué)而又實(shí)用的技術(shù)管理工具。它使得管理人員與型號(hào)研制人員對技術(shù)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對技術(shù)成果與型號(hào)需求之間的差距有了清晰的描述。在自主投入的項(xiàng)目中引入技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工具，可以推進(jìn)項(xiàng)目的階段性持續(xù)開展，也為資金的投入提供了參考依據(jù)。技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)的建立，也將為技術(shù)準(zhǔn)出或型號(hào)研制流程的準(zhǔn)入機(jī)制奠定基礎(chǔ)。另外，技術(shù)成熟度也反映了技術(shù)發(fā)展所經(jīng)歷的客觀規(guī)律：任何技術(shù)的發(fā)展不可能違背自然法則，不成熟的技術(shù)直接進(jìn)入型號(hào)應(yīng)用必然帶來這樣或那樣的風(fēng)險(xiǎn)。

本文對技術(shù)成熟度等級(jí)的研究只針對單項(xiàng)技術(shù)提出了技術(shù)成熟度等級(jí)劃分的建議，后續(xù)需要在細(xì)化每個(gè)技術(shù)成熟度等級(jí)的量化指標(biāo)、復(fù)雜系統(tǒng)（或含多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的課題、項(xiàng)目）技術(shù)成熟度與單項(xiàng)技術(shù)成熟度關(guān)系、技術(shù)成熟度與經(jīng)費(fèi)投入的關(guān)系、地面支持設(shè)備技術(shù)成熟度等方面繼續(xù)開展研究。

（References）

[1]朱毅麟. 技術(shù)成熟度對航天器研制進(jìn)度的影響[J]. 航天器工程, 2009, 18(2): 8-13 Zhu Yilin. A study of influence of technology readiness level on spacecraft development schedule[J]. Spacecraft Engineering, 2009, 18(2): 8-13

[2]吳燕生. 技術(shù)成熟度及其評(píng)價(jià)方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012: 1-2

[3]李達(dá), 王崑聲, 馬寬. 技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法綜述[J].科學(xué)決策, 2012(11): 85-94 Li Da, Wang Kunsheng, Ma Kuan. Review on the evaluation method of technology maturity[J]. Scientific Decision-Making, 2012(11): 85-94

[4]Department of Defense. Technology readiness assessment (TRA)deskbook[R], 2009-07: 53-54

[5]GB/T 22900—2009, 科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目評(píng)價(jià)通則[S]