肖剛 姜萬杰 吳振宇 董方成 張洪波

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

早在20 世紀(jì)70年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出技術(shù)成熟度（Technology Readiness Levels，TRL）概念，主要針對(duì)應(yīng)用新技術(shù)研制的新產(chǎn)品，強(qiáng)調(diào)從技術(shù)開發(fā)到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程中新技術(shù)應(yīng)用的完備性及其驗(yàn)證的充分性。2003年，美國(guó)國(guó)防部（DoD）頒布了《技術(shù)成熟度評(píng)估手冊(cè)》，將技術(shù)成熟度等級(jí)劃分為9級(jí)；2009年，頒布了《制造成熟度評(píng)估手冊(cè)》，將制造成熟度等級(jí)劃分為10級(jí)［1-3］。

2003年，中國(guó)航天企業(yè)提出了產(chǎn)品成熟度概念，開始在產(chǎn)品成熟度技術(shù)上進(jìn)行初步探索，主要是為適應(yīng)航天器由單件研制向小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)型這一新的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)航天產(chǎn)品研制品種多、狀態(tài)多、研制隊(duì)伍相對(duì)分散、老產(chǎn)品質(zhì)量問題多、產(chǎn)品創(chuàng)新能力相對(duì)不足等問題而開展的。2007年，中國(guó)航天企業(yè)將產(chǎn)品成熟度劃分為預(yù)研產(chǎn)品、工程產(chǎn)品、飛行成品、成熟產(chǎn)品和定型產(chǎn)品等5 個(gè)等級(jí)［4］。2009年，中國(guó)航天企業(yè)發(fā)布了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將單機(jī)產(chǎn)品成熟度劃分為8個(gè)等級(jí)［5］。其中，1～4級(jí)產(chǎn)品是產(chǎn)品初次研制階段，主要開展原理樣機(jī)、工程樣機(jī)和飛行產(chǎn)品的研制；5級(jí)產(chǎn)品是經(jīng)過多次飛行，能夠在軌穩(wěn)定運(yùn)行的成熟產(chǎn)品，達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品可以逐級(jí)申報(bào)航天企業(yè)三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)定型產(chǎn)品，分別對(duì)應(yīng)成熟度等級(jí)的6、7、8級(jí)。

在產(chǎn)品成熟度概念被規(guī)范之后，中國(guó)航天企業(yè)通過產(chǎn)品定型工作開展了產(chǎn)品成熟度的提升研究。本文通過介紹產(chǎn)品成熟度提升的概念及應(yīng)用，總結(jié)了產(chǎn)品定型工作對(duì)于產(chǎn)品成熟度提升研究的方法與意義，以及在批產(chǎn)衛(wèi)星研制中的應(yīng)用，可為后續(xù)航天產(chǎn)品成熟度提升提供參考。

2 產(chǎn)品成熟度提升的概念

2．1 概念

產(chǎn)品成熟度是對(duì)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、完備性記憶在一定功能、性能水平下質(zhì)量穩(wěn)定性的一種度量［6］，已 在 航 天 器 上 成 功 使 用，并 經(jīng) 過3 次 或3 次以上實(shí)際空間飛行，符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品被稱為成熟產(chǎn)品。

產(chǎn)品成熟度提升是產(chǎn)品成熟度等級(jí)提高的過程，是在產(chǎn)品固有的功能性能基礎(chǔ)上，采取一定的工作方式或合理的工作流程提高產(chǎn)品的成熟度等級(jí)。產(chǎn)品成熟度提升研究的重點(diǎn)，是產(chǎn)品成熟的本質(zhì)特征和內(nèi)在規(guī)律，其目的是針對(duì)小子樣、高可靠、高質(zhì)量等特點(diǎn)，為航天產(chǎn)品快速成熟提供有效途徑和方法。本文結(jié)合批產(chǎn)衛(wèi)星產(chǎn)品小子樣相對(duì)較多的特點(diǎn)，給出了驗(yàn)證關(guān)鍵特性、識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)、固化操作流程、建立數(shù)據(jù)包絡(luò)的4種提升方法，可推廣用于其它的航天產(chǎn)品開展成熟度提升工作。

推行產(chǎn)品成熟度提升具有如下意義：①產(chǎn)品成熟度等級(jí)的提升，尤其是對(duì)于上貨架產(chǎn)品（或現(xiàn)貨產(chǎn)品）［7］，可以表征該類產(chǎn)品的性能與功能穩(wěn)定、可靠；②開展成熟度提升工作，可以充分識(shí)別產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、過程控制三類關(guān)鍵特性，提高對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)認(rèn)識(shí)程度；③開展成熟度提升工作，可以促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，提升產(chǎn)品研制單位的設(shè)計(jì)能力、競(jìng)爭(zhēng)力，提高批量產(chǎn)品性能的一致性與可靠性。

2．2 成熟度提升與產(chǎn)品定型的關(guān)系

產(chǎn)品成熟度提升的過程分為產(chǎn)品初次研制、產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)和使用、產(chǎn)品定型和升級(jí)改進(jìn)3個(gè)階段。開展產(chǎn)品定型就是開展產(chǎn)品成熟度提升的第3階段［6］。

產(chǎn)品的定型工作是指對(duì)飛行產(chǎn)品（含以飛行產(chǎn)品為基線并經(jīng)過鑒定試驗(yàn)的產(chǎn)品）或成熟產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)定型、工藝定型及測(cè)試、試驗(yàn)規(guī)范化，完善產(chǎn)品保證文件，保證每批產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定、性能一致性好，達(dá)到可以穩(wěn)定重復(fù)生產(chǎn)的過程。產(chǎn)品定型時(shí)，產(chǎn)品完成小批量生產(chǎn)和應(yīng)用驗(yàn)證后的狀態(tài)固化和持續(xù)改進(jìn)的過程，是產(chǎn)品進(jìn)入貨架（現(xiàn)貨）供應(yīng)模式并進(jìn)一步提升成熟度的重要工作［8］。

產(chǎn)品成熟度是對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠程度的一種認(rèn)可，通常用成熟度等級(jí)來表征產(chǎn)品的成熟程度。而產(chǎn)品定型，是在對(duì)產(chǎn)品成熟度認(rèn)可的基礎(chǔ)上開展的系列技術(shù)與管理活動(dòng)，確保該產(chǎn)品的成熟度可以完整可靠地延續(xù)，產(chǎn)品定型意味著產(chǎn)品上貨架，具備了不同型號(hào)之間的通用選擇功能。定型產(chǎn)品具有一定的成熟度水平。

3 產(chǎn)品成熟度提升在批產(chǎn)衛(wèi)星中的應(yīng)用

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星作為批產(chǎn)衛(wèi)星研制的代表型號(hào)，其生產(chǎn)模式從原來的單一衛(wèi)星研制逐步進(jìn)入小批量研制、模式。在批產(chǎn)衛(wèi)星研制模式下，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵產(chǎn)品的成熟條件相對(duì)容易，這主要得益于衛(wèi)星發(fā)射的頻率以及產(chǎn)品選用的數(shù)量。在2010年至2012年的3年時(shí)間內(nèi)，我國(guó)陸續(xù)成功發(fā)射了十幾顆導(dǎo)航衛(wèi)星，滿足5級(jí)成熟度產(chǎn)品規(guī)定的至少3次成功飛行考核、單次在軌正常工作時(shí)間不少于2年等基本要求。基于此，航天企業(yè)選擇了批產(chǎn)衛(wèi)星作為產(chǎn)品成熟度提升研究的工作對(duì)象，并結(jié)合衛(wèi)星研制特點(diǎn)，按照初始識(shí)別、深入研究、完成提升3 個(gè)階段來開展應(yīng)用工作。圖1為成熟度提升路線。

圖1 成熟度研究在衛(wèi)星研制中的應(yīng)用路線圖Fig．1 Roadmap of improving product maturity in satellite development

3．1 初始成熟度識(shí)別

成熟度提升工作初始，衛(wèi)星系統(tǒng)組織設(shè)計(jì)、工藝、可靠性、環(huán)境試驗(yàn)、產(chǎn)品化等方面的專家隊(duì)伍，對(duì)照宇航單機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)的劃分與規(guī)定［5］，根據(jù)定型產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)，從設(shè)計(jì)、工藝、產(chǎn)品保證和過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)包飛行驗(yàn)證等方面，對(duì)1級(jí)到2級(jí)、2級(jí)到3級(jí)、3級(jí)到4級(jí)、4級(jí)到5級(jí)進(jìn)行了比對(duì)分析工作，開展了本級(jí)成熟度識(shí)別完善工作，重點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的基線梳理。確定了衛(wèi)星系統(tǒng)34臺(tái)類典型單機(jī)產(chǎn)品的初始成熟度，再根據(jù)后續(xù)應(yīng)用需求確定了產(chǎn)品的成熟度提升目標(biāo)。針對(duì)初始成熟度等級(jí)情況，分析產(chǎn)品是否適應(yīng)下一個(gè)高等級(jí)的成熟度培育，明確方向后，確定為目標(biāo)成熟度等級(jí)［8］。

3．2 提升的方法

1）驗(yàn)證產(chǎn)品關(guān)鍵特性

決定產(chǎn)品成熟度的關(guān)鍵特性主要包括設(shè)計(jì)、工藝和過程控制3個(gè)方面，要提升產(chǎn)品的成熟度，就要加強(qiáng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、過程控制三類關(guān)鍵特性的分析。目前有部分產(chǎn)品在各類專項(xiàng)課題中開展了試驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)仿真分析等相關(guān)工作，驗(yàn)證了一些關(guān)鍵特性，為產(chǎn)品定型奠定了一定基礎(chǔ)。但這些工作項(xiàng)目不能覆蓋定型工作的全部要求，還須補(bǔ)充開展部分試驗(yàn)和分析的專項(xiàng)工作，比如：產(chǎn)品極限拉偏試驗(yàn)、產(chǎn)品長(zhǎng)壽命考核試驗(yàn)等。

驗(yàn)證產(chǎn)品關(guān)鍵特性的方法主要是對(duì)3類關(guān)鍵特性的設(shè)計(jì)正確性、工藝穩(wěn)定性、過程控制有效性進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)；驗(yàn)證的手段一般有數(shù)據(jù)分析、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2）識(shí)別產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)

開展產(chǎn)品“再設(shè)計(jì)、再分析、再驗(yàn)證”（簡(jiǎn)稱“三再”）的工作方法，從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、特性開展梳理，由上到下逐級(jí)進(jìn)行分析，再次識(shí)別單機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)［9］，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分類，分為設(shè)計(jì)改進(jìn)、工藝完善、過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)包完善。

識(shí)別產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的方法主要是找到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能及特性方面存在的易失效模式，并提出完善建議；識(shí)別的手段一般有“三再”、“1＋6＋2”（1為故障模式與影響分析，6為可靠性專項(xiàng)設(shè)計(jì)：熱設(shè)計(jì)、元器件降額設(shè)計(jì)、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、抗輻射設(shè)計(jì)、靜電防護(hù)設(shè)計(jì)，2為元器件可靠性使用與試驗(yàn)驗(yàn)證）及產(chǎn)品級(jí)相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。

3）固化生產(chǎn)操作流程

產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，主要通過對(duì)各類文件的嚴(yán)格審查來控制產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。通過對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)類文件、操作過程類文件及過程控制類文件進(jìn)一步復(fù)查，梳理并改進(jìn)一些細(xì)節(jié)問題，保證文件可操作性、可檢查性、可重復(fù)性生產(chǎn)，使其更具有生產(chǎn)指導(dǎo)意義。同時(shí)，鑒于批產(chǎn)衛(wèi)星的數(shù)量與質(zhì)量可靠性，對(duì)工藝文件參數(shù)細(xì)化量化，可保證產(chǎn)品重復(fù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

固化生產(chǎn)操作流程的方法主要是對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)文件、操作過程文件、過程控制文件進(jìn)行可操作、可檢查、可重復(fù)等三個(gè)方面的檢查與改進(jìn)；固化的手段有文件分類管理和文件歸檔。

4）建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)包絡(luò)

各單機(jī)產(chǎn)品對(duì)地面各類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，在批產(chǎn)的設(shè)備范圍內(nèi)開展不同批次投產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性的比對(duì)工作，形成產(chǎn)品地面數(shù)據(jù)包絡(luò)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)包中包含產(chǎn)品的功能、性能參數(shù)指標(biāo)要求；同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品在軌工作相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，后續(xù)對(duì)整理后的數(shù)據(jù)開展產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性的比對(duì)工作，并形成產(chǎn)品在軌數(shù)據(jù)包絡(luò)，對(duì)產(chǎn)品在軌工作趨勢(shì)進(jìn)行分析；各產(chǎn)品將地面數(shù)據(jù)、在軌數(shù)據(jù)結(jié)合，逐步建立產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)定型和產(chǎn)品應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)包絡(luò)的方法，主要是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、總裝、在軌等階段的功能、性能指標(biāo)（含軟件）進(jìn)行歸類匯總與比對(duì)分析；建立的手段主要是收集單機(jī)產(chǎn)品在各個(gè)階段的測(cè)試數(shù)據(jù)。

3．3 提升結(jié)果

衛(wèi)星系統(tǒng)在成熟度提升工作的后期，確立了6臺(tái)類三級(jí)定型單機(jī)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品重點(diǎn)開展了環(huán)境適應(yīng)性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗(yàn)考核，完成了產(chǎn)品可靠性評(píng)估、相關(guān)定型程序等工作。

其余28臺(tái)類單機(jī)產(chǎn)品將以3級(jí)、4級(jí)或5級(jí)成熟度為目標(biāo)開展成熟度提升或定級(jí)工作，重點(diǎn)以開展文件固化、產(chǎn)品規(guī)范和數(shù)據(jù)包完善、飛行產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包建立、完善和比對(duì)分析，形成功能、性能參數(shù)的地面模擬飛行環(huán)境驗(yàn)收級(jí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和所有其它地面測(cè)試數(shù)據(jù)，以及壽命試驗(yàn)考核等工作。

4 產(chǎn)品成熟度提升的建議

1）完善基礎(chǔ)規(guī)范體系，指導(dǎo)產(chǎn)品成熟度提升

按照宇航單機(jī)產(chǎn)品成熟度定級(jí)規(guī)定［5］，單機(jī)產(chǎn)品須提升產(chǎn)品成熟度至5級(jí)或5級(jí)以上時(shí)，產(chǎn)品在試驗(yàn)方面的考核要求大大提高，除須完成壽命考核試驗(yàn)外，還對(duì)環(huán)境適應(yīng)性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗(yàn)提出相關(guān)要求。這些試驗(yàn)要求對(duì)于電子類、結(jié)構(gòu)類、機(jī)電類等不同類產(chǎn)品實(shí)物來說，須開展多種不同的試驗(yàn)項(xiàng)目。

但是，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的基礎(chǔ)規(guī)范體系中，對(duì)于這些不同類產(chǎn)品開展試驗(yàn)的樣本數(shù)要求、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和定型可靠性評(píng)估方法等還存在要求不明確、無依據(jù)執(zhí)行、規(guī)范遵循難等問題。要完成好這些試驗(yàn)項(xiàng)目，就還要對(duì)基礎(chǔ)規(guī)范體系繼續(xù)探索和研究，并完善這些規(guī)范體系才能更好地指導(dǎo)工程應(yīng)用。

2）提前開展極限試驗(yàn)，有助產(chǎn)品成熟度提升

事實(shí)上，部分單機(jī)產(chǎn)品在從低等級(jí)成熟度向高等級(jí)成熟度轉(zhuǎn)變的過程中，產(chǎn)品的極限試驗(yàn)工作沒能有效開展，這極大地制約了產(chǎn)品成熟度的提升。認(rèn)識(shí)到單機(jī)產(chǎn)品的自身特殊性，關(guān)注這臺(tái)產(chǎn)品的關(guān)鍵特性與后續(xù)使用情況的預(yù)估，在產(chǎn)品研制初期，有針對(duì)性地開展部分極限試驗(yàn)，將有助于該產(chǎn)品的成熟度提升，這取決于對(duì)單機(jī)產(chǎn)品性能以及成熟度工作本身的認(rèn)識(shí)與理解。在單機(jī)產(chǎn)品確立為航天器系統(tǒng)中的重點(diǎn)或關(guān)鍵單機(jī)之后，應(yīng)盡可能提前安排關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品的壽命考核與極限拉偏試驗(yàn)，在對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行摸底的同時(shí)，可為后續(xù)開展成熟度提升提供有力依據(jù)。

3）研究成熟度模型，推動(dòng)產(chǎn)品成熟度提升

成熟度模型是用于描述和評(píng)估事物處于能達(dá)到某種期望能力的狀態(tài)或程度的框架與方法，包含了對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的成熟度定義和如何對(duì)成熟度進(jìn)行評(píng)估、改進(jìn)的方法和程序等內(nèi)容。國(guó)外早在20 世紀(jì)90年代，就開展了對(duì)成熟度模型的研究，常見模型已發(fā)展到30多種。建議在后續(xù)的研制工作中分步實(shí)施成熟度模型研究［10］：①理解成熟度模型概念，找到應(yīng)用模型的最佳方式；②將開展成熟度研究的產(chǎn)品的各個(gè)特征值與模型所描述項(xiàng)目進(jìn)行比較，確定須改進(jìn)項(xiàng)目；③擬定改進(jìn)計(jì)劃，實(shí)施必要的文件補(bǔ)充、試驗(yàn)驗(yàn)證等措施，改進(jìn)產(chǎn)品相關(guān)項(xiàng)目；④重復(fù)項(xiàng)目評(píng)估，循環(huán)改進(jìn)產(chǎn)品，擴(kuò)展模型的廣度與深度。

5 結(jié)束語

產(chǎn)品成熟度提升不僅是提高產(chǎn)品成熟度等級(jí)的過程與手段，也為識(shí)別產(chǎn)品的各類特性和梳理失效模式提供了解決途徑，其最終目標(biāo)都是為了航天器產(chǎn)品在軌穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)，產(chǎn)品成熟度提升還是產(chǎn)品成熟度工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展產(chǎn)品成熟度提升研究，就是要摸清產(chǎn)品成熟度提升的工作路線，采用合理的方式方法，達(dá)到產(chǎn)品成熟度等級(jí)提升的目的。本文通過對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星型號(hào)研制中開展成熟度提升工作的研究，總結(jié)出了一套適用于我國(guó)航天產(chǎn)品成熟度提升的路徑與方法，后續(xù)工作將繼續(xù)完善基礎(chǔ)規(guī)范體系等，以有效地推進(jìn)航天領(lǐng)域的產(chǎn)品成熟度工作。

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