◎中國航天標準化與產(chǎn)品保證研究院 王喜奎 周海京 杜剛 韓天龍

當前，我國宇航型號產(chǎn)品的任務需求和應用方式正在發(fā)生顯著變化，任務性質(zhì)正由科研試驗任務為主向應用服務任務為主轉(zhuǎn)變，多型號、多任務并舉及小批量生產(chǎn)、高密度出廠發(fā)射的特點越來越明顯。為適應轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，我國宇航領域于2003年開始實施宇航產(chǎn)品體系建設工作，提出了產(chǎn)品成熟度概

念。2010年，中國航天科技集團公司集團級的產(chǎn)品成熟度標準出臺，使產(chǎn)品成熟度的相關(guān)工作取得了明顯成效，極大地推動了宇航領域科研生產(chǎn)基礎能力的提升。隨著我國宇航產(chǎn)品專業(yè)化發(fā)展模式構(gòu)建的穩(wěn)步推進，研究宇航產(chǎn)品在小子樣研制情況下產(chǎn)品成熟度提升的需求已變得較為迫切。

一、國外相關(guān)研究進展情況

1．發(fā)展概況

技術(shù)成熟度等級最早由NASA 于20世紀80年代提出，開始分為7 級，后來擴展為9 級。2003年，美國國防部頒布了《技術(shù)成熟度等級評價指南》，并于2005年對其進行了修訂。

制造成熟度是對技術(shù)成熟度概念的拓展，主要度量產(chǎn)品可生產(chǎn)性及其生產(chǎn)保障條件與預期要求的一致性和穩(wěn)定性。2008年，美國國防部提出項目研制過程中要充分考慮制造風險，并于2009年發(fā)布了《制造成熟度評價指南》，將制造成熟度等級劃分為10 級；2010年，美國國防部發(fā)布了制造成熟度等級手冊，并于2011年對手冊進行了修訂升級。

制造成熟度評價是廣義制造風險管理過程中一項用來評價制造能力及其風險的有效工具。開展制造成熟度評價應確定提升制造成熟度等級和降低制造風險的目標，制定達到該項目標的計劃和資金估算，從而作出向系統(tǒng)設計或生產(chǎn)現(xiàn)場轉(zhuǎn)移的技術(shù)及過程決定。因此，制造成熟度評價應將項目關(guān)鍵元素的當前成熟度等級與項目該階段要求達到的制造成熟度等級進行比較，識別出項目關(guān)鍵元素目前存在的差距和風險，從而為制定降低制造風險及其投資預算計劃奠定基礎。

2．優(yōu)點與不足

技術(shù)成熟度評價是以在項目中起關(guān)鍵、重要作用的新技術(shù)元素為對象，以項目任務要求為目標，強調(diào)并度量了該技術(shù)元素的設計實現(xiàn)程度和應用驗證程度。制造成熟度評價的總體思路與技術(shù)成熟度評價相一致，其以降低產(chǎn)品制造風險為目標，強調(diào)并度量了產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境實現(xiàn)程度和批量生產(chǎn)能力，同時考慮了生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的持續(xù)改進情況。

從宇航系統(tǒng)工程管理和質(zhì)量管理的需求出發(fā)，技術(shù)成熟度和制造成熟度評價技術(shù)的優(yōu)點可總結(jié)為以下兩個方面：一是在工程系統(tǒng)研制中，可將產(chǎn)品的設計和制造分別作為單獨要素進行系統(tǒng)化的分析和控制，進而通過成熟度模型劃分等級定義，并建立評定規(guī)則，這有助于對設計和制造2 個要素進行細化與量化；二是以具體工程產(chǎn)品為載體實施獨立的技術(shù)評價，有助于推動產(chǎn)品系列化發(fā)展，促進宇航產(chǎn)品實現(xiàn)以貨架式產(chǎn)品為基礎的準流水線作業(yè)模式。

但從技術(shù)成熟度和制造成熟度的定義和應用對象上來看，兩者的評價技術(shù)還存在以下三個方面的不足：一是它們度量的對象是選定的關(guān)鍵技術(shù)元素，重點關(guān)注產(chǎn)品工程化研制的技術(shù)可行性、可生產(chǎn)性和持續(xù)供應問題，只涉及構(gòu)成具體工程產(chǎn)品的一個方面，沒有涵蓋產(chǎn)品的所有組成部分；二是它們應用于單個研制合同項目的實施周期，表征了項目過程中關(guān)鍵技術(shù)元素從原理研究到最終實現(xiàn)項目任務要求的進展程度，卻沒有表征產(chǎn)品持續(xù)完善和發(fā)展的狀態(tài)；三是它們通過表征關(guān)鍵技術(shù)元素研發(fā)的進展程度，為項目風險評估提供支持，是輔助實施項目風險管理的重要工具，但沒有從根本上提出如何在小子樣情況下實現(xiàn)宇航產(chǎn)品的快速成熟。

二、產(chǎn)品成熟度理論及應用方法

1．概念與適用范圍

產(chǎn)品成熟度是對產(chǎn)品在研制、生產(chǎn)及使用環(huán)節(jié)等全生命周期所有技術(shù)要素的合理性、完備性以及在一定功能、性能水平下質(zhì)量穩(wěn)定性的一種度量。

產(chǎn)品成熟度描述了產(chǎn)品研制的進展情況、質(zhì)量與可靠性工作情況以及產(chǎn)品應用技術(shù)風險情況，是指導產(chǎn)品專業(yè)化研發(fā)和培育活動的基本路線圖，為產(chǎn)品選用提供了參考依據(jù)。產(chǎn)品成熟度本身并不是針對具體產(chǎn)品的評價，而是對產(chǎn)品的可實現(xiàn)和可應用程度的評價。

產(chǎn)品成熟度理論主要適用于宇航關(guān)鍵通用產(chǎn)品。根據(jù)需求梳理，目前我國宇航關(guān)鍵通用產(chǎn)品主要包括衛(wèi)星公用平臺、運載火箭基本型、空間單機（衛(wèi)星平臺用）、運載火箭單機、衛(wèi)星有效載荷產(chǎn)品等五大類產(chǎn)品。

2．產(chǎn)品成熟度的度量模型

產(chǎn)品成熟度的度量模型充分考慮了現(xiàn)階段我國宇航產(chǎn)品研制流程和工作特點，同時兼顧當前宇航產(chǎn)品工程工作的總體思路和工程可操作性。

◆產(chǎn)品成熟度的度量要素

綜合成熟度相關(guān)理論和系統(tǒng)工程方法，產(chǎn)品成熟度的度量要素包括產(chǎn)品的設計成熟度、制造工藝成熟度和過程控制成熟度。設計成熟度——度量產(chǎn)品固有設計滿足規(guī)定功能和性能要求的符合程度，以及為保證產(chǎn)品功能和性能所需的設計關(guān)鍵特性的識別、控制和驗證程度。其主要描述產(chǎn)品設計與研制技術(shù)要求的符合程度與完善程度，產(chǎn)品按規(guī)定條件的檢測參數(shù)與產(chǎn)品功能、主要性能要求值的吻合程度。

產(chǎn)品設計的成熟特征主要表現(xiàn)為，通過特性分析、故障模式及影響分析等工作充分識別設計關(guān)鍵特性，以使關(guān)鍵特性的設計結(jié)果能夠保證產(chǎn)品主要功能和性能要求的實現(xiàn)。

制造工藝成熟度——度量產(chǎn)品工藝滿足設計要求并實現(xiàn)重復穩(wěn)定生產(chǎn)的程度，以及為保證產(chǎn)品最終質(zhì)量所需的工藝關(guān)鍵特性的識別、控制和驗證程度。其主要描述產(chǎn)品工藝與設計要求的符合程度與完善程度，產(chǎn)品工藝經(jīng)試驗驗證滿足設計要求，產(chǎn)品工藝文件經(jīng)審查確認可支持重復生產(chǎn)。

產(chǎn)品制造工藝的成熟特征主要表現(xiàn)為，通過在工藝設計過程中圍繞產(chǎn)品設計關(guān)鍵特性的工藝實現(xiàn)來識別工藝關(guān)鍵特性，根據(jù)實際應用和試驗驗證形成指導生產(chǎn)的圖紙與工藝技術(shù)文件，以確保設計要求完整實現(xiàn)。

過程控制成熟度——度量產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、使用等全過程管理、控制措施滿足任務成功要求的程度，以及為保證產(chǎn)品成功應用所需的過程控制關(guān)鍵特性的識別、控制和驗證程度。其主要表現(xiàn)在圍繞設計關(guān)鍵特性和工藝關(guān)鍵特性的實現(xiàn)與保障，通過產(chǎn)品保證和質(zhì)量控制工作建立質(zhì)量控制點，加強產(chǎn)品的過程控制。

產(chǎn)品過程控制的成熟特征主要表現(xiàn)為，在產(chǎn)品生產(chǎn)和應用階段保證工作策劃與要求的細化完善，以及能夠控制關(guān)鍵質(zhì)量特性或因素的有效性和精細化程度。

◆產(chǎn)品成熟度的度量方式

基于宇航系統(tǒng)工程方法原理，產(chǎn)品成熟度度量的基本對象和載體是產(chǎn)品數(shù)據(jù)包。所謂產(chǎn)品數(shù)據(jù)包，是產(chǎn)品在設計、生產(chǎn)、試驗、交付等研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)中形成的有關(guān)質(zhì)量與可靠性的各類文件、記錄等信息的集合，主要包括產(chǎn)品基礎數(shù)據(jù)、產(chǎn)品關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)、產(chǎn)品功能和性能數(shù)據(jù)。

以產(chǎn)品數(shù)據(jù)包為對象，針對設計、工藝和過程控制3 個要素建立產(chǎn)品成熟度等級評定模型：

式中，PML表示產(chǎn)品成熟度；D表示產(chǎn)品設計成熟度；M表示產(chǎn)品制造工藝成熟度；P表示產(chǎn)品過程控制成熟度。

產(chǎn)品的設計、制造工藝和過程控制的成熟度越低，所需投入攻關(guān)或研制費用就越高，研制時間越長，其成本在成熟度提升總成本中的所占比重也越大，所以產(chǎn)品設計成熟程度、制造工藝成熟程度和過程控制成熟程度的權(quán)重與其成熟度提升總成本成正比，即

式中，DC表示C 級產(chǎn)品成熟度等級設計成熟程度的成本，AD表示在該產(chǎn)品成熟度等級評定中產(chǎn)品設計成熟程度所占的權(quán)重；MC表示C 級產(chǎn)品成熟度等級工藝制造成熟程度的成本，AM表示在該產(chǎn)品成熟度等級評定中產(chǎn)品工藝制造成熟程度所占的權(quán)重；PC表示C 級產(chǎn)品成熟度等級過程控制成熟程度的成本，AP表示在該產(chǎn)品成熟度等級評定中產(chǎn)品過程控制成熟程度所占的權(quán)重。WC表示C 級產(chǎn)品成熟度提升的總成本。

◆產(chǎn)品成熟度框架模型的實施

基于產(chǎn)品成熟度的概念，通過研究產(chǎn)品成熟度的度量要素、度量方式和實施要點建立產(chǎn)品成熟度8 級框架模型，如圖1所示。

基于產(chǎn)品成熟度8 級框架模型，并依據(jù)型譜規(guī)劃的規(guī)格序列，研發(fā)人員按照原理樣機研制、工程樣機研制、飛行產(chǎn)品研制3 個子階段組織實施宇航關(guān)鍵通用產(chǎn)品的研發(fā)活動。這3 個子階段的主要工作內(nèi)容類似于目前型號產(chǎn)品研制中的方案、初樣和正/試樣階段。產(chǎn)品成熟度等級模型分別規(guī)定了原理樣機產(chǎn)品（1 級）、工程樣機產(chǎn)品（2 級）、飛行產(chǎn)品（3級）3 個等級，一旦產(chǎn)品成熟度達到3 級，標志著產(chǎn)品已基本完成了地面的研制和驗證活動，可以參與飛行任務，并實施飛行驗證。

圖1 產(chǎn)品快速成熟過程的成熟度等級模型

產(chǎn)品完成地面研制和驗證后開展飛行考核驗證，根據(jù)飛行驗證結(jié)果實施產(chǎn)品改進與數(shù)據(jù)包完善，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和可應用程度，為形成“性能優(yōu)良、可靠性高、適應性強、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟性好”的貨架式產(chǎn)品創(chuàng)造條件。在本階段，產(chǎn)品成熟度依據(jù)飛行考核的程度劃分為一次飛行考核產(chǎn)品（4 級）、多次飛行考核產(chǎn)品（5 級）2 個等級，一旦產(chǎn)品成熟度達到5 級，標志著產(chǎn)品已經(jīng)過至少3 次成功飛行試驗考核。

產(chǎn)品完成多次飛行考核后，依據(jù)產(chǎn)品定型準則和相關(guān)規(guī)范，對產(chǎn)品實施全方位考核和驗證，并最終由定型主管機構(gòu)實施產(chǎn)品定型的審查和批準工作。產(chǎn)品完成定型標志著產(chǎn)品已符合規(guī)定要求，具備了作為貨架式產(chǎn)品提供型號選用和采購的條件，但這并不意味著產(chǎn)品改進完善活動的終止，因為在定型產(chǎn)品的應用過程中還有可能會暴露出一些問題或薄弱環(huán)節(jié)。為支持定型產(chǎn)品的改進完善，此階段設置了三級定型產(chǎn)品（6 級）、二級定型產(chǎn)品（7 級）、一級定型產(chǎn)品（8 級）3 個等級，以標識定型產(chǎn)品的持續(xù)改進過程。

產(chǎn)品成熟度理論模型的建立，有力地支撐了我國宇航關(guān)鍵通用產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的快速提升，推動了宇航領域質(zhì)量工程的理論創(chuàng)新和跨越發(fā)展，滿足了當前宇航系統(tǒng)工程的質(zhì)量管理和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展要求，實踐證明具有重要的應用價值。?