航天制造成熟度評(píng)價(jià)研究與實(shí)踐

/中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

我國(guó)航天工業(yè)進(jìn)入了新的歷史發(fā)展時(shí)期，先進(jìn)制造能力和水平是完成高新裝備研制和生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的強(qiáng)大動(dòng)力。面對(duì)將我國(guó)建設(shè)成為航天強(qiáng)國(guó)以更好地滿足國(guó)家戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求這一目標(biāo)，當(dāng)前我國(guó)航天制造面臨一些挑戰(zhàn)：如能否制造出符合高新裝備使用要求的產(chǎn)品；生產(chǎn)能力能否滿足裝備研制與采購(gòu)的批生產(chǎn)要求；如何采取有效手段促進(jìn)制造技術(shù)順利成熟等,這些挑戰(zhàn)對(duì)航天裝備制造管理提出了新的要求。盡管我國(guó)已經(jīng)形成了一系列具有航天特色的傳統(tǒng)制造管理方法，但是總體來(lái)看航天制造管理尚處于定性管理手段偏多，定量及創(chuàng)新管理手段較少的狀態(tài)，尤其是缺乏對(duì)制造技術(shù)和制造能力進(jìn)行綜合評(píng)估和監(jiān)督檢查的成熟方法。

制造成熟度評(píng)價(jià)方法是美國(guó)國(guó)防部為有效評(píng)價(jià)制造能力和制造風(fēng)險(xiǎn)而提出的，已在美國(guó)得到了廣泛運(yùn)用，值得我國(guó)借鑒。但是如果將其與我國(guó)航天制造相結(jié)合，形成本地化的評(píng)價(jià)方法并且合理運(yùn)用從而發(fā)揮實(shí)效，還有待進(jìn)一步研究。筆者面向我國(guó)航天工程制造風(fēng)險(xiǎn)管理和制造能力提升，通過(guò)對(duì)國(guó)外制造成熟度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理，研究提出了符合我國(guó)航天工程的制造成熟度方法體系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)航天工程制造管理流程，提出了一種集評(píng)估與提升策劃為一體的制造成熟度應(yīng)用模式。通過(guò)開展實(shí)證研究，有效驗(yàn)證了筆者提出的評(píng)估方法體系和應(yīng)用模式的可行性和科學(xué)性，為航天產(chǎn)品的制造管理提供了重要方法支撐。

一、國(guó)內(nèi)外制造成熟度研究現(xiàn)狀

國(guó)外十分注重航天裝備制造風(fēng)險(xiǎn)管理，采用了多種方法并且持續(xù)更新。NASA曾對(duì)1960～2000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)生產(chǎn)、制造、工藝等方面出現(xiàn)問(wèn)題是工程研制中僅次于設(shè)計(jì)的第二大失敗要素。美國(guó)問(wèn)責(zé)局認(rèn)為，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。

在制造風(fēng)險(xiǎn)管理方面，國(guó)外通常采用的方法有2種：一是采用技術(shù)成熟度對(duì)關(guān)鍵制造技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確保制造技術(shù)的產(chǎn)品載體通過(guò)各種環(huán)境下的試驗(yàn)考核，從而滿足功能、性能要求；二是在裝備研制后期，采用生產(chǎn)就緒評(píng)審對(duì)制造問(wèn)題進(jìn)行管理。然而，無(wú)論是技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)還是生產(chǎn)就緒評(píng)審，在制造風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理中均存在明顯不足，例如技術(shù)成熟度可識(shí)別技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)制造特點(diǎn)體現(xiàn)不足，無(wú)法有效識(shí)別生產(chǎn)、制造方面的風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)就緒評(píng)審在裝備研制后期實(shí)施，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期技術(shù)攻關(guān)及研制階段的制造風(fēng)險(xiǎn)。

2001年，美國(guó)國(guó)防部制定了與技術(shù)成熟度相協(xié)調(diào)互補(bǔ)的制造成熟度評(píng)估體系，用于確定裝備研制過(guò)程中制造技術(shù)、工藝、產(chǎn)品的成熟狀態(tài)，并于2007年發(fā)布了第一版《制造成熟度手冊(cè)》。2008年，美國(guó)國(guó)防部頒布DODI 5000.02指令，要求在采辦項(xiàng)目全周期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)開展制造成熟度評(píng)價(jià)，并提出了相應(yīng)的要求，例如在技術(shù)開發(fā)階段要求使用樣機(jī)或原型件來(lái)評(píng)估制造工藝，在工程與制造階段要求制造工藝已在試生產(chǎn)環(huán)境得到有效驗(yàn)證，在生產(chǎn)與部署階段要求重大制造風(fēng)險(xiǎn)為零且制造過(guò)程可控。

目前，制造成熟度已經(jīng)成為美國(guó)國(guó)防部采辦項(xiàng)目的強(qiáng)制性程序，成為裝備制造技術(shù)和能力評(píng)估的統(tǒng)一準(zhǔn)則和重要手段。2009～2010年，美國(guó)國(guó)會(huì)年撥款超過(guò)300萬(wàn)美元用于國(guó)防部制造成熟度評(píng)估能力建設(shè)。空軍每年用于MRL/MRA研究和實(shí)施的經(jīng)費(fèi)超過(guò)400萬(wàn)美元，在F135發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工藝等先期技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目、F-35進(jìn)氣道鉆孔等制造技術(shù)項(xiàng)目和AIM-120C-7導(dǎo)彈改型、MQ-9“死神”無(wú)人機(jī)等重大武器采辦項(xiàng)目中都已開展了評(píng)價(jià)并取得了顯著成效。除此之外，一些典型國(guó)防軍工機(jī)構(gòu)，例如波音、洛馬、雷神、西科斯基、GE、霍尼韋爾等也都采用制造成熟度方法識(shí)別和管理型號(hào)研制中的制造風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)一些高等院校以及軍工單位也開展了制造成熟度相關(guān)研究，側(cè)重于制造成熟度相關(guān)情報(bào)分析，以及在我國(guó)不同裝備領(lǐng)域應(yīng)用的初步探索，但是尚未形成一套科學(xué)且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的制造成熟度方法與應(yīng)用體系，特別是如何將制造成熟度與現(xiàn)有裝備制造管理體系有效融合從而發(fā)揮實(shí)效還有待深入研究。

二、我國(guó)航天制造成熟度評(píng)價(jià)方法體系

美國(guó)國(guó)防部的制造成熟度分為10個(gè)級(jí)別，主要針對(duì)有大批量生產(chǎn)要求的武器裝備，考核武器裝備研制周期各階段是否具備相應(yīng)的制造能力，強(qiáng)調(diào)最終實(shí)現(xiàn)大批量、全速率生產(chǎn)能力。對(duì)于我國(guó)航天中具有一定批量要求的導(dǎo)彈武器裝備，美國(guó)國(guó)防部的制造成熟度方法具有一定的適用性，制造成熟的過(guò)程和內(nèi)涵也相似。但是，對(duì)于以單件制造為特點(diǎn)的航天型號(hào)工程，如戰(zhàn)略武器、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、飛船等，美國(guó)國(guó)防部的制造成熟度方法不太適用。因此，需要結(jié)合我國(guó)航天制造特點(diǎn)，建立一套全面的、適應(yīng)各類制造特點(diǎn)的航天制造成熟度方法。

表1 航天制造成熟度等級(jí)定義劃分

1.我國(guó)航天制造成熟度等級(jí)定義

我國(guó)航天制造既包含具有批量生產(chǎn)要求的制造類型，又包括小子樣制造類型，因此，筆者研究提出了一種普適的、可裁剪使用的航天制造成熟度定義。在該定義中，一方面關(guān)注能否制造出工程要求的、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品（單件制造類產(chǎn)品主要關(guān)注的問(wèn)題），另一方面針對(duì)有批量要求的工程，還需關(guān)注人、機(jī)、料、法、環(huán)等制造要素逐步實(shí)現(xiàn)批生產(chǎn)能力要求的過(guò)程。

對(duì)于大批量生產(chǎn)的制造類型，其MRL定義（見(jiàn)表1）包含10個(gè)等級(jí)。對(duì)于單件或小子樣制造類型，其MRL定義只包括MRL1-9級(jí)，并且MRL8、MRL9級(jí)中的關(guān)于小批量生產(chǎn)的內(nèi)容可根據(jù)實(shí)際制造能力要求進(jìn)行裁減。

2.制造成熟度評(píng)價(jià)檢查單

制造成熟度等級(jí)定義宏觀地對(duì)航天制造的成熟過(guò)程進(jìn)行了劃分，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)制造成熟度的精細(xì)化評(píng)價(jià)。為此，筆者研究提出將基于制造關(guān)鍵要素的制造成熟度評(píng)價(jià)檢查單作為制造成熟度評(píng)價(jià)的基本工具，研究提出制造成熟度檢查單（見(jiàn)表2）。

表2 航天制造成熟度評(píng)價(jià)檢查單

表3 MRL5級(jí)評(píng)價(jià)細(xì)則示意

在表2的檢查單中，前6條檢查項(xiàng)考察的是各制造要素，即人員、設(shè)備、材料、工藝、環(huán)境、檢測(cè)等能否滿足制造要求，第7條和第8條考察的是制造出的樣件的關(guān)鍵功能和性能是否在相應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證，第9條考察的是為了實(shí)現(xiàn)最終要求的單件制造或批生產(chǎn)要求，是否在該級(jí)別充分考慮了當(dāng)前制造能力與最終要求的差別，并且制定了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避計(jì)劃。

在實(shí)際使用時(shí)，還需要根據(jù)各檢查項(xiàng)進(jìn)一步細(xì)化要求，制定評(píng)價(jià)細(xì)則（見(jiàn)表3），然后根據(jù)評(píng)價(jià)細(xì)則的實(shí)際完成情況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化評(píng)價(jià)。

三、制造成熟度在航天工程中的應(yīng)用案例研究

在研究提出制造成熟度評(píng)價(jià)方法體系后，如何將制造成熟度方法體系與現(xiàn)有航天制造管理流程融合，避免評(píng)價(jià)工作脫離管理實(shí)際，是筆者關(guān)注的另一重點(diǎn)。航天型號(hào)工程要求制造成熟度評(píng)價(jià)能夠解決實(shí)際問(wèn)題，能夠?yàn)楣こ萄兄婆c管理服務(wù)，而不是為了評(píng)價(jià)而評(píng)價(jià)。因此，在深度調(diào)研航天典型制造單位評(píng)價(jià)需求的基礎(chǔ)上，研究提出了一種集評(píng)估與提升策劃為一體的制造成熟度應(yīng)用模式，如圖1所示。

圖1 制造成熟度在航天工程中的應(yīng)用模式

主要實(shí)施步驟為：首先要明確關(guān)鍵制造的目標(biāo)MRL等級(jí)；其次開展制造成熟度評(píng)價(jià)，識(shí)別當(dāng)前制造的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，評(píng)價(jià)當(dāng)前MRL等級(jí)；最后針對(duì)當(dāng)前MRL等級(jí)與目標(biāo)MRL等級(jí)的差距，開展基于制造成熟度的工作策劃，明確各級(jí)需要開展的主要工作，制定制造成熟計(jì)劃。

表4 某航天典型產(chǎn)品MRL5級(jí)工作策劃表

筆者以航天某典型復(fù)合材料產(chǎn)品為例，開展了制造成熟度評(píng)價(jià)與策劃案例研究工作。該復(fù)合材料產(chǎn)品是導(dǎo)彈武器的關(guān)鍵部段，其性能優(yōu)劣影響飛行任務(wù)成敗，屬于小子樣制造類型。

案例研究的主要過(guò)程如下：

一是航天某工程要求該產(chǎn)品在未來(lái)某關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)達(dá)到MRL5級(jí)。

二是采用表1中的制造成熟度定義以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)檢查單對(duì)該產(chǎn)品的當(dāng)前等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)自評(píng)價(jià)和專家評(píng)價(jià)2個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品當(dāng)前完成了改進(jìn)的原理樣件的研制（縮比結(jié)構(gòu)件），在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)結(jié)構(gòu)件的力、熱性能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，初步完成了關(guān)鍵工藝攻關(guān)工作，梳理了主要風(fēng)險(xiǎn)并且制定了技術(shù)改進(jìn)、配套設(shè)施建設(shè)和設(shè)備采購(gòu)等風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避計(jì)劃。因此，當(dāng)前該產(chǎn)品的制造成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)為MRL4級(jí)。

三是通過(guò)MRL評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前等級(jí)距離要求的MRL5級(jí)需要跨越一個(gè)級(jí)別。策劃工作分為2步，首先，對(duì)標(biāo)MRL5級(jí)評(píng)價(jià)檢查單，梳理MRL5級(jí)工作要求，然后策劃從目前狀態(tài)達(dá)到MRL5級(jí)需要開展的主要工作（見(jiàn)表4）。

筆者在深度剖析國(guó)外制造成熟度對(duì)我國(guó)航天制造的適用性的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)航天制造類型，提出了一種普適的、可供裁剪使用的制造成熟度等級(jí)定義以及基于評(píng)價(jià)檢查單的評(píng)價(jià)方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)航天工程開展制造成熟度評(píng)價(jià)的實(shí)際需求，提出了一種評(píng)估+策劃的一體化應(yīng)用方法，并且以某航天典型復(fù)合材料產(chǎn)品為例進(jìn)行了應(yīng)用研究。筆者提出的制造成熟度評(píng)估與策劃方法一方面可以有效評(píng)估當(dāng)前制造狀態(tài)，另一方面可以通過(guò)策劃制定制造成熟計(jì)劃，為促進(jìn)工程合理攻關(guān)、制造資源整合與制造能力提升提供了一種有力抓手與創(chuàng)新管理手段。