我國運載火箭貯箱制造各階段成熟度分析

趙 磊、耿瓊、陳永來 /航天材料及工藝研究所

技術成熟度是技術對于某個具體系統(tǒng)或項目而言所處的發(fā)展狀態(tài)，反映了技術對項目預期目標的滿足程度，是人們在大量科研和工程實踐的基礎上對技術成熟規(guī)律認識的一種總結。近年來，技術成熟度相關研究已在我國航天、航空領域得到應用，其作用和價值得到一定的認可。貯箱是運載火箭等航天器的重要組成部分，既是傳遞載荷的主要結構之一，又是動力系統(tǒng)的部件。當前，我國大量未成熟的新工藝在貯箱上推廣應用，未開展大型貯箱研制、評價、考核等的系統(tǒng)梳理，大大增加了型號各階段的研制風險。因此。采用技術成熟度方法分析我國運載火箭貯箱各制造研制階段，對系統(tǒng)認識各研制階段所達到的目的和要求，規(guī)范我國貯箱制造流程有著非常重要的意義。

一、技術成熟度和制造成熟度

上世紀70 年代，美國國家航空航天局提出技術成熟度的概念。2003 年，美國國防部在該定義的基礎上稍做修改，形成了目前在美國國防科研和采辦管理中被廣泛認可的9 級技術成熟度等級（TRL）標準，其中1 級最低，9 級最高，具體等級及內涵見美國國防部《技術成熟度評價手冊》。此外，2003 年，美國國防部在《技術成熟度評價手冊》中還提出了制造成熟度等級（MRL）的概念。MRL 是從生產制造的角度對TRL 進行理解和認識，是TRL 概念的拓展和延伸，其量化反映了制造能力對于工程目標的滿足程度。美國國防部制定的《制造成熟度指南》將MRL 劃分為10 個級別，表1 中列出了美國國防部對MRL 各級定義及等級內涵中部分關鍵性描述。目前已有研究表明，MRL 的10個級別與TRL 的9 個級別是相對應的關系，其中，TRL 的1 ～6 級、8 ～9 級一一對應于MRL 的1 ～6級和9 ～10 級；TRL 的7 級對應于MRL 的7 和8兩級。制造的進展取決于TRL 和設計的穩(wěn)定狀態(tài)，如果技術或設計不穩(wěn)定，制造成熟則無法實現(xiàn)；而驗證技術成熟需要通過制造來完成，制造工藝達不到設計要求，技術成熟同樣無法實現(xiàn)。

表1 美國國防部MRL等級及內涵

二、貯箱各制造階段劃分

在國際上，貯箱設計研制一般劃分為論證階段、方案階段、工程研制階段、定型階段，其中論證階段又稱為可行性論證階段；方案階段可細分為方案認證階段、方案設計階段和模樣階段；工程研制階段分為初樣階段和試樣階段；定型階段包括設計定型與生產定型。我國現(xiàn)役和在研的運載火箭貯箱的研制和生產過程中包含4 個階段，分別為預研階段、方案階段、初樣階段、試樣階段（為區(qū)分我國與國際一般研制階段中“初樣和試樣階段”的名稱，后文中國際一般研制階段中的“初樣和試樣階段”暫分別標識為“初樣階段*、試樣階段*”），國際、國內貯箱研制階段劃分以及與材料和工藝制造相關的要求見表2。通過對比表2中國際貯箱一般研制階段的定義和我國貯箱研制階段的要求，可以看出：一是我國預研階段對材料、工藝和縮比試驗件的要求，與可行性論證階段、方案認證和方案設計階段對貯箱材料、工藝方案可行性、通過縮比件試制開展關鍵工藝技術研究的內涵一致。二是我國方案階段與模樣階段要求突破工藝的關鍵技術，制造原理樣機，完成典型地面試驗考核的內涵一致。三是我國初樣階段對工程化和地面試驗考核的要求，與初樣階段*關于形成制造驗收技術條件等要求以及通過靜力試驗考核等內涵一致。四是我國試樣階段關于飛行試驗考核、發(fā)射任務的要求，與試樣階段*、設計定型要求的飛行試驗和生產流程固化的內涵一致，試樣階段*、設計定型及生產定型階段可以統(tǒng)歸為我國的試樣階段。

表2 貯箱設計的研制階段劃分

三、我國貯箱制造各階段成熟度分析

由于運載火箭不同于導彈等武器系統(tǒng)，不存在大批量生產階段，因此其制造成熟度最高為MRL8。根據貯箱研制各階段的內容要求以及MRL的定義，對我國運載火箭貯箱各階段的成熟度等級進行劃分。

1.預研階段

預研階段涵蓋可行性論證、方案認證、方案設計階段。首先，依據可行性論證階段定義，貯箱制造工藝主要為調研貯箱制造工藝、梳理制造關鍵技術。其次，在方案認證階段，貯箱制造工藝要求明確材料工藝性能。再者，根據方案設計階段定義中的需開展關鍵工藝技術項目研究，貯箱制造工藝內容主要是通過試制典型縮比試驗件，驗證制造關鍵工藝技術，即驗證不同工藝及組合方案可行性。

2.方案階段

方案階段涵蓋了模樣階段要求。依據模樣階段的定義，貯箱制造工藝內容主要為突破制造工藝過程中的關鍵技術，明確基本工藝流程，制造出原理樣機，通過關鍵性能考核試驗。MRL4 要求工藝要確保可制造性并能達到相應的質量要求，制造出用于驗證技術的演示樣機。MRL4 中的確?？芍圃煨允且笸黄脐P鍵技術、明確基本工藝流程，而制造用于研制的演示樣機也是要求制造原理樣機并通過關鍵性能考核。因此，模樣階段對應MRL4，即我國的方案階段應達到MRL4 成熟度等級。

3.初樣階段

我國初樣階段與國際一般研制階段中的初樣階段*的要求是一致的。根據初樣階段*的定義，貯箱制造工藝內容要求主要為優(yōu)化工藝流程和生產要素，保證產品質量可靠性和穩(wěn)定性，初步形成貯箱制造、驗收技術條件，滿足工程化要求，通過部分型號地面試驗考核。而MRL5 要求具備在相關生產環(huán)境下制造原型樣機的能力，與初步形成制造/驗收技術條件、滿足工程化的要求一致。因此，初樣階段*對應MRL5，即我國的初樣階段應達到MRL5 成熟度等級。

4.試樣階段

我國的試樣階段對應國際一般研制階段中的試樣階段*、設計定型。結合試樣階段*的定義，貯箱制造工藝內容主要為形成完整的貯箱制造、驗收技術條件，制備出工程樣機，并通過飛行試驗考核。包含了MRL6 和MRL7 兩級的要求。其中，MRL6 要求初步系統(tǒng)設計獲得認可，已經產生初始制造方法，在相關生產環(huán)境下驗證了系統(tǒng)/分系統(tǒng)原型樣機的生產工藝，要求進一步優(yōu)化制造工藝及流程，制造工程樣機，通過各種靜、熱、動、環(huán)境補充地面試驗考核，由此系統(tǒng)設計才能初步獲得認可。MRL7 進一步要求系統(tǒng)的設計活動接近尾聲，已批準材料規(guī)范書，在典型生產環(huán)境下驗證了制造工藝和程序。要求固化產品制造工藝流程，制造工程樣機，形成完整的貯箱制造、驗收技術條件，通過飛行試驗考核，整體系統(tǒng)設計才能接近完成。因此，在試樣階段*需要完成MRL6 和MRL7 兩級的要求。此外，根據設計定型階段的定義，貯箱制造工藝內容主要為形成完整的貯箱制造工藝系統(tǒng)，滿足小批量正式產品的生產要求，滿足發(fā)射任務要求。MRL8 要求已經完成系統(tǒng)的詳細設計并足夠穩(wěn)定，可進入小批量生產，兩者在滿足小批量正式生產的要求內涵是一致的。因此，設計定型階段對應MRL8。綜上所述，我國的試樣階段需完成國際一般階段中的試樣階段*和設計定型階段的要求內容，最終應達到MRL8 成熟度等級。

在TRL 方面，根據TRL 與MRL 之間的對應關系，并結合我國貯箱制造各階段MRL 分析，預研階段應達到TRL3 成熟度等級、方案階段應達到TRL4 成熟度等級、初樣階段應達到TRL5 成熟度等級、試樣階段應達到TRL7 成熟度等級。貯箱各研制階段MRL 和TRL 等級見表3。

表3 我國運載火箭貯箱研制階段成熟度等級