航空材料技術(shù)成熟度等級(jí)劃分與評(píng)價(jià)方法研究

摘 要：航空材料技術(shù)成熟度對(duì)航空產(chǎn)品的研制起著至關(guān)重要的作用。文章根據(jù)航空材料的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)航空材料技術(shù)成熟度等級(jí)進(jìn)行了重定義，分析了材料技術(shù)成熟度與產(chǎn)品技術(shù)成熟度之間的關(guān)系，并使用基于CTE權(quán)重的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法，以AAA牌號(hào)鋼為例進(jìn)行了技術(shù)成熟度模擬評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：航空材料；技術(shù)成熟度等級(jí)；技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)

引言

材料是武器裝備的技術(shù)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，對(duì)武器裝備研制成敗具有重大的影響，因此材料的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)無論是對(duì)材料本身的研制還是對(duì)相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)都十分重要。

任何一項(xiàng)技術(shù)都必然有一個(gè)產(chǎn)生、發(fā)展、成熟的過程，材料也不例外，也遵循相似的演變軌跡。材料技術(shù)成熟度是指材料相對(duì)于某個(gè)具體系統(tǒng)或項(xiàng)目目標(biāo)所處的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，以等級(jí)的方式來描述材料從萌芽狀態(tài)到成功應(yīng)用的整個(gè)過程。

航空武器裝備的工作條件十分復(fù)雜，就飛機(jī)而言，軍用飛機(jī)要求提高機(jī)動(dòng)性、近距格斗和全天候作戰(zhàn)的能力；民用飛機(jī)則要求安全性、可靠性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性；發(fā)動(dòng)機(jī)要求大推比和長壽命發(fā)動(dòng)機(jī)；所以，在航空領(lǐng)域，對(duì)材料更為苛刻，主要有耐高溫、高比強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本等，顯而易見，航空材料技術(shù)成熟度在一定程度上決定了航空武器裝備的發(fā)展。文章就針對(duì)航空材料技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行初步探討。

為了便于后續(xù)文中使用和追溯理解，首先介紹一下有關(guān)基本概念的縮寫和定義：

（1）技術(shù)成熟度等級(jí)（TRL，Technology Readiness Level）：對(duì)技術(shù)成熟度進(jìn)行量度和評(píng)測(cè)的一種標(biāo)準(zhǔn)?；谑挛锇l(fā)展客觀規(guī)律，將技術(shù)從萌芽狀態(tài)到成功應(yīng)用于某個(gè)具體系統(tǒng)或項(xiàng)目的整個(gè)過程劃分為若干個(gè)階段；為管理層和科研人員提供了標(biāo)準(zhǔn)的通用語言。

（2）技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)（TRA，Technology Readiness Assessment）：采用技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)，通過一套科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)施程序評(píng)價(jià)系統(tǒng)或項(xiàng)目中各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度。

（3）關(guān)鍵技術(shù)元素（CTE，Central Technology Element）：是指在規(guī)定的時(shí)間、規(guī)定的費(fèi)用范圍之內(nèi)為完成項(xiàng)目設(shè)定的性能要求和任務(wù)，必須依賴的技術(shù)。

（4）工作分解結(jié)構(gòu)（WBS，Work Breakdown Structure）是指把項(xiàng)目可交付成果和項(xiàng)目工作分解成較小的、更易于管理的組成部分的過程。

1 航空材料技術(shù)成熟度等級(jí)的重定義（TRL）

1.1 材料技術(shù)成熟度與產(chǎn)品技術(shù)成熟度之間的關(guān)系

技術(shù)成熟度（Technology Maturity）的定義為技術(shù)相對(duì)于某個(gè)具體系統(tǒng)或項(xiàng)目目標(biāo)所處的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，因此在評(píng)價(jià)材料的技術(shù)成熟度時(shí)，必須明確材料的應(yīng)用目標(biāo)才可以涵蓋材料技術(shù)成熟度的內(nèi)涵。

比如，AAA牌號(hào)鋼在某型號(hào)中同時(shí)被用于制造飛行參數(shù)記錄儀保護(hù)殼體和飛機(jī)起落架；顯然，前者的技術(shù)成熟度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者的技術(shù)成熟度，但是，制作保護(hù)殼體的技術(shù)并不能代表真實(shí)的AAA牌號(hào)鋼技術(shù)成熟度水平；因此，科研管理者和技術(shù)人員最關(guān)心的材料技術(shù)成熟度，是指材料制作典型制件、并在典型環(huán)境中應(yīng)用時(shí)的技術(shù)成熟度。同樣一種材料，用于不同制件，其技術(shù)成熟度水平會(huì)出現(xiàn)明顯差異，這其中的原因可以從技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法中找到答案。

此外，航空材料的成熟度與產(chǎn)品的成熟度有著密切的關(guān)系，只有實(shí)現(xiàn)了材料與產(chǎn)品研發(fā)的密切互動(dòng)，才能協(xié)調(diào)好技術(shù)、投資以及研制周期之間的關(guān)系，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)效益。材料與航空產(chǎn)品技術(shù)成熟度之間的關(guān)系見表1。

從表1中可以看出，材料技術(shù)的成熟度是航空產(chǎn)品技術(shù)成熟度的基礎(chǔ)，材料開發(fā)與航空產(chǎn)品開發(fā)需要互動(dòng)、匹配，這樣才能減小研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制周期、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)；理想的安排是材料TRL9與航空產(chǎn)品TRL6對(duì)應(yīng)，以便使航空產(chǎn)品的TRL6～TRL9階段的時(shí)間間隔縮短。

根據(jù)歷史的經(jīng)驗(yàn)，如果不以客戶需求為導(dǎo)向，而且材料開發(fā)與發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)不并行、不互動(dòng)、兩者的技術(shù)成熟度不匹配，那么材料的研制周期將長達(dá)10年；反之，如果加強(qiáng)了供需雙方的聯(lián)系，材料的研制周期可縮短到2～3年。

1.2 航空材料技術(shù)成熟度等級(jí)重定義

盡管美國國防部的技術(shù)成熟度等級(jí)得到廣泛的認(rèn)同和使用，但對(duì)于不同行業(yè)、不同背景的項(xiàng)目來說，技術(shù)載體、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)內(nèi)容都有各自的特殊性，通用的TRL定義往往由于缺乏針對(duì)性，而導(dǎo)致對(duì)于項(xiàng)目的成熟度描述不夠準(zhǔn)確。因此，需要針對(duì)航空材料TRL進(jìn)行重定義（具體化），形成能夠更加準(zhǔn)確的體現(xiàn)航空材料技術(shù)特點(diǎn)的、針對(duì)性和適用性更強(qiáng)的TRL定義。重定義的原則不是推翻通用的TRL定義，而是細(xì)化、體現(xiàn)特點(diǎn)，便于評(píng)價(jià)時(shí)理解和評(píng)判，航空材料TRL重定義見表2。

航空材料技術(shù)成熟度等級(jí)的劃分，做到了具體化評(píng)價(jià)方法、指定驗(yàn)證環(huán)境和技術(shù)載體、分步控制風(fēng)險(xiǎn)，是對(duì)航空材料技術(shù)成熟程度進(jìn)行度量和評(píng)測(cè)的一種“標(biāo)準(zhǔn)和尺度”，是技術(shù)專家與管理部門溝通采用的“主要語言”。

2 航空材料技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法

2.1 結(jié)合目標(biāo)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)（CTE確定）

在評(píng)價(jià)技術(shù)成熟度時(shí)，核心步驟之一就是通過任務(wù)的WBS來篩選、確定CTE，根據(jù)不同成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)細(xì)則對(duì)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終利用一定的方法得出材料的技術(shù)成熟度。因此CTE對(duì)材料的技術(shù)成熟度水平起到?jīng)Q定性的作用。

對(duì)于AAA牌號(hào)鋼來說，將其用于制造起落架時(shí)，大直徑棒材制造、超大型鍛件鍛造與預(yù)備熱處理、表面防護(hù)（超音速火焰噴涂、氧化磷化）等技術(shù)都是CTE，目前在國內(nèi)由于技術(shù)儲(chǔ)備、設(shè)備等多方面原因都比較難以實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟度等級(jí)比較低；而用其制造飛行參數(shù)記錄儀保護(hù)殼體，其CTE則是殼體設(shè)計(jì)、與橡膠隔熱層的匹配等，這些技術(shù)相對(duì)成熟許多。因此，材料的關(guān)鍵技術(shù)及其可實(shí)現(xiàn)性不同，導(dǎo)致同一種材料在不同的項(xiàng)目中技術(shù)成熟度水平不同。

2.2 CTE影響權(quán)值研究

“CTE影響權(quán)值”是表征CTE重要性的量化指標(biāo)，它是一個(gè)位于0～1之間的數(shù)值，同一個(gè)項(xiàng)目中所有影響權(quán)值之和為1，其大小表示該技術(shù)成熟度因子對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的重要性。CTE影響權(quán)值越大，表示對(duì)應(yīng)的CTE對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)成熟度越重要。CTE影響權(quán)值取決于其所有CTE的成熟度和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，航空材料TRL可以由關(guān)鍵技術(shù)元素CTE的TRL、CTE影響權(quán)值兩個(gè)參數(shù)來計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

航空材料TRL=（CTE的TRLi×權(quán)重i）

其中，航空材料TRL是最終想得到的結(jié)果；n表示該包括的CTE數(shù)目；CTE的TRLi表示第i項(xiàng)CTE的TRL，權(quán)重i是指第i個(gè)CTE對(duì)應(yīng)的權(quán)值。CTE的權(quán)重的確定依賴于項(xiàng)目攻關(guān)團(tuán)隊(duì)、技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜?、技術(shù)成熟度管理三方面的人員依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際科研情況進(jìn)行確定。

2.3 航空材料TRA加權(quán)法

評(píng)價(jià)出各個(gè)CTE的TRL后，航空材料技術(shù)成熟度究竟處于什么等級(jí)還不得而知。加權(quán)法是按照各項(xiàng)CTE的重要性，確定它們的權(quán)重系數(shù)，將CTE的成熟度進(jìn)行加權(quán)，得到航空材料的TRL。

以AAA牌號(hào)鋼在起落架中的應(yīng)用為例，采取TRA加權(quán)法進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

直徑大于300mm棒材制造、超大型鍛件鍛造與預(yù)備熱處理、表面防護(hù)（超音速火焰噴涂、氧化磷化）。

根據(jù)各關(guān)鍵技術(shù)對(duì)課題的影響程度，假定確定關(guān)鍵技術(shù)1～5的權(quán)重分別為20%、15%、25%、25%、15%。加權(quán)計(jì)算后獲得材料的技術(shù)成熟度等級(jí)：3.4。

加權(quán)平均方法適用材料類型：流程長、工序復(fù)雜、關(guān)鍵技術(shù)眾多。對(duì)于此類材料需要組建聯(lián)合攻關(guān)隊(duì)伍，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)元素逐個(gè)擊破，只有綜合提高各關(guān)鍵技術(shù)的成熟度，材料的技術(shù)成熟度才會(huì)提高。

3 結(jié)束語

文章技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)加權(quán)法只是技術(shù)成熟評(píng)價(jià)方法的一種，具有特定的適用范圍；不同的情況使用不同的評(píng)價(jià)方法，比如多項(xiàng)技術(shù)集成后，技術(shù)之間存在兼容和匹配的問題，相互對(duì)接會(huì)帶來系統(tǒng)層面的不確定和不成熟因素，這個(gè)時(shí)候需要采用模型對(duì)比法，引入綜合成熟度的概念衡量任何兩種由技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)估的技術(shù)的集成。

航空材料技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)并不是簡單地得到一個(gè)等級(jí)數(shù)字后就束之高閣，更重要的是評(píng)價(jià)過程本身對(duì)項(xiàng)目的指導(dǎo)意義，通過評(píng)價(jià)能夠明確下一步工作重點(diǎn)、有效降低航空材料及其產(chǎn)品研制的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)控制手段，也是技術(shù)創(chuàng)新的伙伴；技術(shù)創(chuàng)新能推動(dòng)技術(shù)成熟度的提升，技術(shù)成熟度的提升帶來大量的技術(shù)創(chuàng)新。

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