制造成熟度及其在我國(guó)航天的應(yīng)用研究

（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

1 引言

航天工程主要面臨兩方面風(fēng)險(xiǎn)：一是不成熟的技術(shù)；二是不成熟的制造能力。國(guó)外采用技術(shù)成熟度（TRL）和制造成熟度（MRL）評(píng)價(jià)方法，有助于管理和應(yīng)對(duì)這兩大風(fēng)險(xiǎn)。其中，TRL 起源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA），進(jìn)入21世紀(jì)以后，被美國(guó)國(guó)防部（DoD）、能源部（DoE）和問(wèn)責(zé)辦公室（GAO）等機(jī)構(gòu)廣泛使用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了TRL 研究和應(yīng)用，已經(jīng)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指南和法規(guī)，出版了相關(guān)著作［1］，在我國(guó)航天、航空等國(guó)防科技工業(yè)得到了應(yīng)用，其作用和價(jià)值已經(jīng)初步得到認(rèn)可。在TRL得到廣泛應(yīng)用的背景下，美國(guó)國(guó)防部制定了一種對(duì)制造能力和制造風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法［2］——MRL。

本文首先介紹了美國(guó)MRL 方法的產(chǎn)生背景、基本內(nèi)容和采辦要求，分析了其應(yīng)用特點(diǎn)。從我國(guó)航天制造的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)出發(fā)，論述MRL 在我國(guó)航天的應(yīng)用價(jià)值和局限性。立足國(guó)情，借鑒國(guó)外制定MRL的基本思路，研究提出了航天MRL方法，制定了航天MRL等級(jí)定義和各級(jí)評(píng)價(jià)檢查單，并提出了開(kāi)展航天MRL 研究應(yīng)用的相關(guān)建議，以期推動(dòng)航天工程制造風(fēng)險(xiǎn)管理和制造能力提升。

2 美國(guó)國(guó)防部的MRL方法

美國(guó)國(guó)防部提出MRL 的概念主要有兩個(gè)背景：一是在美國(guó)眾多出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題的航天和國(guó)防采辦項(xiàng)目中，制造問(wèn)題和制造風(fēng)險(xiǎn)成為重要原因之一。例如，美國(guó)NASA 對(duì)1960至2000年間，50個(gè)太空系統(tǒng)的失敗原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在眾多導(dǎo)致系統(tǒng)失敗的原因中，生產(chǎn)制造以及對(duì)生產(chǎn)制造的試驗(yàn)驗(yàn)證是僅次于設(shè)計(jì)的第二大失敗要素［3］；此外，根據(jù)美國(guó)問(wèn)責(zé)辦公室的報(bào)告［4］，在國(guó)防采辦項(xiàng)目的關(guān)鍵決策點(diǎn)，缺乏制造知識(shí)是導(dǎo)致項(xiàng)目“漲經(jīng)費(fèi)”和“拖進(jìn)度”的重要原因。二是過(guò)去國(guó)防采辦項(xiàng)目一般采用生產(chǎn)就緒評(píng)審和制造能力評(píng)審等方法對(duì)制造狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是這種評(píng)審缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而且通常在項(xiàng)目研制的后期開(kāi)展，在項(xiàng)目研制前期缺少對(duì)制造的評(píng)價(jià)。

因此，在TRL得到廣泛應(yīng)用的背景下，美國(guó)國(guó)防部針對(duì)在采辦項(xiàng)目中如何評(píng)價(jià)制造能力和管理制造風(fēng)險(xiǎn)，尤其提前識(shí)別和規(guī)避進(jìn)入批生產(chǎn)階段以后的制造風(fēng)險(xiǎn)，制定了MRL 評(píng)價(jià)指南［2］，并且在國(guó)防采辦項(xiàng)目管理中推行。

2.1 MRL的等級(jí)劃分及術(shù)語(yǔ)解釋

MRL用來(lái)表示項(xiàng)目中關(guān)鍵制造的成熟程度，它量化反映了制造能力對(duì)于項(xiàng)目目標(biāo)的滿足程度。MRL等級(jí)，是對(duì)制造成熟程度進(jìn)行度量和評(píng)測(cè)的一種標(biāo)準(zhǔn)。MRL 劃分為10個(gè)等級(jí)，隨著制造成熟度等級(jí)的提高，制造能力需要逐步在更加逼真的生產(chǎn)環(huán)境中完成驗(yàn)證。它涵蓋了從提出制造概念到形成批量生產(chǎn)和精益化生產(chǎn)能力的全過(guò)程，體現(xiàn)了從研制到生產(chǎn)的一般發(fā)展過(guò)程。美國(guó)國(guó)防部的MRL 等級(jí)劃分及各級(jí)定義見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)國(guó)防部的MRL等級(jí)劃分及定義Table 1 Definitions of MRLs of DoD

2.2 MRL的評(píng)價(jià)要素和各采辦階段的要求

MRL主要通過(guò)系統(tǒng)梳理9大制造要素，評(píng)價(jià)識(shí)別MRL級(jí)別。這9大制造要素分別是技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)、成本和投資、材料、工藝能力和控制、質(zhì)量管理、制造人員、設(shè)施、制造管理。一些制造要素還可以繼續(xù)細(xì)分為若干制造風(fēng)險(xiǎn)子要素，如表2所示。

表2 美國(guó)國(guó)防部的MRL評(píng)價(jià)要素Table 2 MRL threads and sub-threads

續(xù)表

在MRL評(píng)價(jià)要素的基礎(chǔ)上，美國(guó)國(guó)防部進(jìn)一步制定了9大制造要素在各個(gè)MRL 級(jí)別的具體要求［2］，這些要求體現(xiàn)了MRL 各級(jí)別的成熟特征和不同級(jí)別的差異，是制定MRL 檢查單，進(jìn)而評(píng)價(jià)MRL時(shí)的重要依據(jù)。

美國(guó)國(guó)防部要求［4］，在采辦項(xiàng)目的A、B、C三個(gè)里程碑決策點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)工程技術(shù)評(píng)審并建立與制造相關(guān)的成功標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展MRL 評(píng)價(jià)，識(shí)別制造風(fēng)險(xiǎn)，制定制造成熟計(jì)劃。各采辦決策點(diǎn)對(duì)MRL和TRL級(jí)別的要求如圖1所示。

圖1 美國(guó)國(guó)防采辦項(xiàng)目階段與成熟度級(jí)別要求Fig.1 Relationship of MRLs to system milestones，TRLs，and technical reviews

2.3 制造成熟度與技術(shù)成熟度和產(chǎn)品成熟度的關(guān)聯(lián)關(guān)系

從圖1可以看出，MRL 與TRL 這兩個(gè)概念的相關(guān)性很強(qiáng)，類似“手拉手”的關(guān)系。一般情況下，制造準(zhǔn)備的進(jìn)展情況取決于TRL 和設(shè)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)，如果產(chǎn)品技術(shù)或設(shè)計(jì)不穩(wěn)定，制造成熟就無(wú)從談起。同時(shí)，驗(yàn)證技術(shù)成熟所需的技術(shù)載體需要通過(guò)制造來(lái)完成，制造工藝達(dá)不到要求，技術(shù)同樣無(wú)法成熟。因此，對(duì)每一級(jí)的MRL 都包含了相應(yīng)一級(jí)的TRL要求，即TRL 是MRL 的先決條件。但二者側(cè)重點(diǎn)不同，TRL 注重設(shè)計(jì)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)通過(guò)技術(shù)載體的試驗(yàn)驗(yàn)證形成設(shè)計(jì)基線，但技術(shù)載體的制造過(guò)程，實(shí)際上處于黑箱狀態(tài)。MRL 關(guān)注技術(shù)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過(guò)程，關(guān)注在相應(yīng)的TRL 時(shí)，產(chǎn)品制造對(duì)工藝、設(shè)備、成本等的相關(guān)要求。它著眼于將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的制造工藝和制造系統(tǒng)的成熟程度，從制造的視角提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和衡量準(zhǔn)則，對(duì)制造技術(shù)、系統(tǒng)或分系統(tǒng)的成熟度進(jìn)行評(píng)價(jià)，系統(tǒng)梳理制造和生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，可在項(xiàng)目制造風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與管理方面發(fā)揮作用。

產(chǎn)品成熟度主要針對(duì)航天單機(jī)產(chǎn)品，它吸收了TRL和MRL的相關(guān)理念，研究產(chǎn)品從立項(xiàng)到生產(chǎn)定型的整個(gè)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)從試樣（正樣）到生產(chǎn)定型之間的反復(fù)迭代［5］。產(chǎn)品成熟度是TRL 和MRL 的綜合集成，但注重產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)使用和定型改進(jìn)。TRL和MRL相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)設(shè)計(jì)和制造更具針對(duì)性，對(duì)研制的早期階段也給予了較多的關(guān)注，也適用于對(duì)預(yù)研項(xiàng)目成熟度的評(píng)估。產(chǎn)品的成熟離不開(kāi)技術(shù)的成熟和制造的成熟，或者說(shuō)只有當(dāng)技術(shù)成熟和制造成熟到一定程度才有產(chǎn)品的成熟。

3 美國(guó)MRL在我國(guó)航天的應(yīng)用價(jià)值和局限性分析

1）我國(guó)航天的制造特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)

我國(guó)航天制造從生產(chǎn)批量方面可以分為兩類：第一類是以單件或小批量生產(chǎn)為主的制造，例如戰(zhàn)略武器、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、飛船和探測(cè)器；第二類是以形成批量生產(chǎn)能力為主要特點(diǎn)的制造，例如戰(zhàn)術(shù)武器。制造特點(diǎn)也可以分為兩類：一類是以制造難度大為主要特點(diǎn)；另一類是以批生產(chǎn)難度大為主要特點(diǎn)。

我國(guó)航天工業(yè)在制造能力建設(shè)方面已經(jīng)取得了一定的成就，但是航天制造仍然面臨一些挑戰(zhàn)，主要有3個(gè)方面：①產(chǎn)品能否制造出來(lái)的挑戰(zhàn)，即采用已有或新的制造技術(shù)、工藝和設(shè)備，能否制造出性能穩(wěn)定的產(chǎn)品；②產(chǎn)品能否實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)的挑戰(zhàn)，即對(duì)有批產(chǎn)能力要求的產(chǎn)品，能否建立起現(xiàn)代化的生產(chǎn)線，更好地滿足批生產(chǎn)的要求；③如何促進(jìn)和監(jiān)督制造技術(shù)成熟的挑戰(zhàn)，尤其是缺乏對(duì)制造技術(shù)的成熟狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分級(jí)和監(jiān)督的方法。

2）MRL在我國(guó)航天的應(yīng)用價(jià)值

MRL 可以發(fā)揮兩個(gè)方面的作用：一是通過(guò)MRL評(píng)價(jià)可以促進(jìn)航天制造能力提升，幫助工程研制隊(duì)伍和管理部門更加客觀、量化地掌握制造能力發(fā)展情況，找出制造能力的短板和制約制造能力提升的瓶頸，通過(guò)制定制造成熟計(jì)劃，促進(jìn)問(wèn)題解決，加速制造能力提升，為航天制造能力提升機(jī)制建設(shè)提供幫助；二是通過(guò)MRL 評(píng)價(jià)可以加強(qiáng)航天工程的制造風(fēng)險(xiǎn)管理，可以更系統(tǒng)、更規(guī)范化、更量化地檢查和評(píng)價(jià)航天工程在制造技術(shù)和制造能力方面已經(jīng)具備的基礎(chǔ)、存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)明確預(yù)研和工程研制各階段的準(zhǔn)入和準(zhǔn)出的MRL 等級(jí)要求，實(shí)現(xiàn)用“小資金”和“小時(shí)間”化解“大預(yù)算”和“拖進(jìn)度”的風(fēng)險(xiǎn)，提高管理效益。

3）直接采用國(guó)外MRL方法存在的問(wèn)題

通過(guò)前文分析可知，美國(guó)國(guó)防部的MRL 方法主要關(guān)注以形成批生產(chǎn)能力為特點(diǎn)的制造。美國(guó)NASA主要關(guān)注能否制造出單件、小批量產(chǎn)品的技術(shù)能力，采用TRL進(jìn)行評(píng)價(jià)。我國(guó)航天產(chǎn)品的類型跨度大，兼有以上兩種制造的特點(diǎn)。如果直接采用美國(guó)國(guó)防部的MRL對(duì)制造技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于單件、小批量生產(chǎn)、制造難度大為主的制造類型不能直接適用。如果直接采用TRL對(duì)制造技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能突出制造成熟的特點(diǎn)。因此，需要結(jié)合我國(guó)航天制造的特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新，構(gòu)建相應(yīng)的航天MRL方法。

4 構(gòu)建我國(guó)航天MRL方法

基于對(duì)美國(guó)國(guó)防部的MRL 方法及其適用性分析，融合NASA 采用的TRL方法，面向我國(guó)航天工程構(gòu)建MRL方法，主要介紹航天MRL等級(jí)定義和各級(jí)MRL評(píng)價(jià)檢查單。

4.1 航天MRL等級(jí)定義及有關(guān)術(shù)語(yǔ)解釋

航天MRL定義如表3所示。涵蓋了研制和批生產(chǎn)兩個(gè)階段。在研制階段，MRL重點(diǎn)關(guān)注能否制造出性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，同時(shí)逐步考慮將來(lái)批生產(chǎn)的問(wèn)題；在批生產(chǎn)階段，MRL重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)能力是否滿足要求，同時(shí)也解決研制階段對(duì)制造認(rèn)識(shí)不足的問(wèn)題。

表3 航天MRL等級(jí)定義Table 3 Definitions of MRLs for Chinese space industry

4.2 MRL評(píng)價(jià)檢查單

MRL評(píng)價(jià)檢查單，是用于對(duì)制造對(duì)象具體開(kāi)展MRL評(píng)價(jià)的規(guī)范檢查單，依據(jù)MRL各級(jí)定義、內(nèi)涵和要求制定，是確定制造對(duì)象成熟度等級(jí)的準(zhǔn)則和依據(jù)，它的檢查項(xiàng)囊括了各級(jí)實(shí)現(xiàn)制造成熟目標(biāo)所需完成的基本任務(wù)。檢查單具有通用性，不針對(duì)被評(píng)價(jià)的具體關(guān)鍵制造技術(shù)，但它是制定具體被評(píng)價(jià)關(guān)鍵制造技術(shù)評(píng)價(jià)細(xì)則的基礎(chǔ)。例如，MRL 3級(jí)的評(píng)價(jià)檢查單見(jiàn)表4。

表4 MRL3級(jí)評(píng)價(jià)檢查單Table 4 Assessment checklist for MRL 3

5 我國(guó)航天開(kāi)展MRL研究和應(yīng)用的建議

完善我國(guó)航天MRL 方法并發(fā)揮實(shí)際作用，需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。本文在此介紹我國(guó)航天開(kāi)展MRL研究和應(yīng)用的建議。

1）繼續(xù)完善航天MRL評(píng)價(jià)方法

美國(guó)從開(kāi)始研究成熟度方法到首次出版《制造成熟度手冊(cè)》［2］，歷時(shí)6年。MRL 方法是一套針對(duì)制造風(fēng)險(xiǎn)和制造能力的系統(tǒng)管理方法?？v向看，它貫穿了從產(chǎn)生制造需求到形成批產(chǎn)能力的制造成熟全過(guò)程；橫向看，它包括了從基礎(chǔ)設(shè)施、工藝方法、材料與設(shè)備供應(yīng)到質(zhì)量控制和成本管理等各個(gè)制造成熟相關(guān)領(lǐng)域。一方面，結(jié)合我國(guó)航天制造特征，對(duì)MRL過(guò)程進(jìn)行量化分級(jí)并輻射到各個(gè)相關(guān)制造領(lǐng)域，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程；另一方面，制定有效的應(yīng)用模式和流程，對(duì)完善與推廣成熟度方法的應(yīng)用有重要作用。因此，有必要在吸收國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際，進(jìn)一步梳理包括制造要素在內(nèi)的級(jí)別特征，研究各級(jí)MRL 評(píng)價(jià)檢查單等，完善航天MRL的量化評(píng)價(jià)方法，使之科學(xué)有效。

2）研究制定我國(guó)航天MRL評(píng)價(jià)規(guī)范

美國(guó)的《制造成熟度手冊(cè)》已經(jīng)出版并持續(xù)修訂更新多次，對(duì)MRL方法的完善、推廣與應(yīng)用起到了重要作用。MRL作為一種通用的制造能力量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，必須具備一定的統(tǒng)一性，才能用于制造信息溝通，發(fā)揮不同制造對(duì)象間的級(jí)別對(duì)比作用。有必要通過(guò)學(xué)習(xí)、借鑒和融合美國(guó)國(guó)防部和NASA 的成熟度方法，根據(jù)不同產(chǎn)品的制造和批產(chǎn)特點(diǎn)，突出制造成熟的特征，形成統(tǒng)一的、適用我國(guó)航天的MRL方法和規(guī)范。

3）結(jié)合重大航天工程開(kāi)展MRL應(yīng)用試點(diǎn)

理論結(jié)合實(shí)踐，才能得到檢驗(yàn)與提升。在初步具備MRL方法之后，結(jié)合重大航天工程開(kāi)展MRL應(yīng)用試點(diǎn)，一方面檢驗(yàn)其作用，另一方面根據(jù)實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與完善，確保該方法能夠真正為工程管理、技術(shù)管理、風(fēng)險(xiǎn)管理提供支撐。建議選取MRL 評(píng)價(jià)試點(diǎn)的原則：一是制造難度大；二是生產(chǎn)能力急需提升；三是覆蓋復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、金屬材料結(jié)構(gòu)、光機(jī)電一體化、電子元器件等主要制造類型。

4）逐步建立起MRL評(píng)價(jià)和提升機(jī)制

在航天產(chǎn)品和重大工程中，開(kāi)展對(duì)關(guān)鍵制造技術(shù)（含批產(chǎn)能力）的分析與識(shí)別工作。提出型號(hào)和重大工程主要研發(fā)階段關(guān)鍵制造技術(shù)的成熟度要求，作為轉(zhuǎn)階段的重要條件之一，并在轉(zhuǎn)階段時(shí)進(jìn)行MRL評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，確定成熟度發(fā)展目標(biāo)，制定制造成熟計(jì)劃，逐步建立完善的成熟度提升機(jī)制，加速航天制造能力提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

TRL 和MRL 評(píng)價(jià)方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值［6］，有助于應(yīng)對(duì)航天工程面臨的兩大風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目管理［7］，是航天系統(tǒng)工程在理論方法上的新拓展與應(yīng)用。目前，通過(guò)總結(jié)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，支撐相關(guān)單位在重大專項(xiàng)工程中探索基于MRL 的研制管理方法研究和應(yīng)用，已經(jīng)取得了一定成果，積累了部分經(jīng)驗(yàn)，但推動(dòng)我國(guó)航天工程實(shí)施成熟度管理并形成最佳實(shí)踐還具有很大的探索空間。

（References）

［1］吳燕生.技術(shù)成熟度及其評(píng)價(jià)方法［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012 Wu Yansheng.Technology readiness and its assessment method［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012（in Chinese）

［2］The OSD Manufacturing Technology Program in Collaboration with the Joint Service／Industry MRL Working Group.Manufacturing Readiness Level （MRL）Deskbook［R］.Washington D.C.：Department of Defense，2012

［3］J Steven Newman.Failure-space：A systems engineering look at 50space system failures［J］.Acta Astronautica，2001，48（5-12）：517-527

［4］Department of Defense.DoDI 5000.02Operation of the defense acquisition system［EB／OL］.［2008-12-08］.http：／／www.acqnotes.com／Attachents／DoD%20Instruction%205000.2.pdf

［5］袁家軍.航天產(chǎn)品工程［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，2011 Yuan Jiajun.Space product engineering［M］.Beijing：China Astronautic Press，2011（in Chinese）

［6］袁家軍.航天產(chǎn)品成熟度研究［J］.航天器工程，2011，20（1）：1-15 Yuan Jiajun.Study of aerospace product maturity［J］.Spacecraft Engineering，2011，20（1）：1-15（in Chinese）

［7］陳華雄，歐陽(yáng)進(jìn)良，毛建軍.技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)在國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目管理中的應(yīng)用探討［J］.科技管理研究，2012，16：191-195 Chen Huaxiong，Ouyang Jinliang，Mao Jianjun.Study on application of technology maturity assessment in management of national science and technology program［J］.Science and Technology Management Research，2012，16：191-195（in Chinese）