摘 要:航空材料技術(shù)成熟度對航空產(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)特點對航空材料技術(shù)成熟度等級進行了重定義,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)成熟度評價方法,以AAA牌號鋼為例進行了技術(shù)成熟度模擬評價。
關(guān)鍵詞:航空材料;技術(shù)成熟度等級;技術(shù)成熟度評價
引言
材料是武器裝備的技術(shù)基礎(chǔ)和先導(dǎo),對武器裝備研制成敗具有重大的影響,因此材料的技術(shù)成熟度評價無論是對材料本身的研制還是對相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)都十分重要。
任何一項技術(shù)都必然有一個產(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于某個具體系統(tǒng)或項目目標(biāo)所處的發(fā)展?fàn)顟B(tài),以等級的方式來描述材料從萌芽狀態(tài)到成功應(yīng)用的整個過程。
航空武器裝備的工作條件十分復(fù)雜,就飛機而言,軍用飛機要求提高機動性、近距格斗和全天候作戰(zhàn)的能力;民用飛機則要求安全性、可靠性、舒適性、經(jīng)濟性;發(fā)動機要求大推比和長壽命發(fā)動機;所以,在航空領(lǐng)域,對材料更為苛刻,主要有耐高溫、高比強、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。文章就針對航空材料技術(shù)成熟度評價方法進行初步探討。
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(TRL,Technology Readiness Level):對技術(shù)成熟度進行量度和評測的一種標(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)用于某個具體系統(tǒng)或項目的整個過程劃分為若干個階段;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)成熟度評價(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)膶嵤┏绦蛟u價系統(tǒng)或項目中各項關(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)定的時間、規(guī)定的費用范圍之內(nèi)為完成項目設(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)是指把項目可交付成果和項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)相對于某個具體系統(tǒng)或項目目標(biāo)所處的發(fā)展?fàn)顟B(tài),因此在評價材料的技術(shù)成熟度時,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牌號鋼在某型號中同時被用于制造飛行參數(shù)記錄儀保護殼體和飛機起落架;顯然,前者的技術(shù)成熟度要遠遠高于后者的技術(shù)成熟度,但是,制作保護殼體的技術(shù)并不能代表真實的AAA牌號鋼技術(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)成熟度水平會出現(xiàn)明顯差異,這其中的原因可以從技術(shù)成熟度評價方法中找到答案。
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,只有實現(xiàn)了材料與產(chǎn)品研發(fā)的密切互動,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、匹配,這樣才能減小研制風(fēng)險、縮短研制周期、節(jié)約研制經(jīng)費;理想的安排是材料TRL9與航空產(chǎn)品TRL6對應(yīng),以便使航空產(chǎn)品的TRL6~TRL9階段的時間間隔縮短。
根據(jù)歷史的經(jīng)驗,如果不以客戶需求為導(dǎo)向,而且材料開發(fā)與發(fā)動機開發(fā)不并行、不互動、兩者的技術(shù)成熟度不匹配,那么材料的研制周期將長達10年;反之,如果加強了供需雙方的聯(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)成熟度等級重定義
盡管美國國防部的技術(shù)成熟度等級得到廣泛的認(rèn)同和使用,但對于不同行業(yè)、不同背景的項目來說,技術(shù)載體、試驗環(huán)境、試驗內(nèi)容都有各自的特殊性,通用的TRL定義往往由于缺乏針對性,而導(dǎo)致對于項目的成熟度描述不夠準(zhǔn)確。因此,需要針對航空材料TRL進行重定義(具體化),形成能夠更加準(zhǔn)確的體現(xiàn)航空材料技術(shù)特點的、針對性和適用性更強的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,便于評價時理解和評判,航空材料TRL重定義見表2。
航空材料技術(shù)成熟度等級的劃分,做到了具體化評價方法、指定驗證環(huán)境和技術(shù)載體、分步控制風(fēng)險,是對航空材料技術(shù)成熟程度進行度量和評測的一種“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)成熟度評價方法
2.1 結(jié)合目標(biāo)識別關(guān)鍵技術(shù)(CTE確定)
在評價技術(shù)成熟度時,核心步驟之一就是通過任務(wù)的WBS來篩選、確定CTE,根據(jù)不同成熟度等級評價細(xì)則對各個關(guān)鍵技術(shù)元素進行評價,最終利用一定的方法得出材料的技術(shù)成熟度。因此CTE對材料的技術(shù)成熟度水平起到?jīng)Q定性的作用。
對于AAA牌號鋼來說,將其用于制造起落架時,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(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)儲備、設(shè)備等多方面原因都比較難以實現(xiàn),技術(shù)成熟度等級比較低;而用其制造飛行參數(shù)記錄儀保護殼體,其CTE則是殼體設(shè)計、與橡膠隔熱層的匹配等,這些技術(shù)相對成熟許多。因此,材料的關(guān)鍵技術(shù)及其可實現(xiàn)性不同,導(dǎo)致同一種材料在不同的項目中技術(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),它是一個位于0~1之間的數(shù)值,同一個項目中所有影響權(quán)值之和為1,其大小表示該技術(shù)成熟度因子對整個項目的重要性。CTE影響權(quán)值越大,表示對應(yīng)的CTE對于整個項目的技術(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)險等級,航空材料TRL可以由關(guān)鍵技術(shù)元素CTE的TRL、CTE影響權(quán)值兩個參數(shù)來計算,具體計算公式如下:
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CTE的TRL,權(quán)重i是指第i個CTE對應(yīng)的權(quán)值。CTE的權(quán)重的確定依賴于項目攻關(guān)團隊、技術(shù)領(lǐng)域?qū)<摇⒓夹g(shù)成熟度管理三方面的人員依據(jù)項目實際科研情況進行確定。
2.3 航空材料TRA加權(quán)法
評價出各個CTE的TRL后,航空材料技術(shù)成熟度究竟處于什么等級還不得而知。加權(quán)法是按照各項CTE的重要性,確定它們的權(quán)重系數(shù),將CTE的成熟度進行加權(quán),得到航空材料的TRL。
以AAA牌號鋼在起落架中的應(yīng)用為例,采取TRA加權(quán)法進行虛擬評價,評價結(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(超音速火焰噴涂、氧化磷化)。
根據(jù)各關(guān)鍵技術(shù)對課題的影響程度,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)計算后獲得材料的技術(shù)成熟度等級: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。對于此類材料需要組建聯(lián)合攻關(guān)隊伍,對各個關(guān)鍵技術(shù)元素逐個擊破,只有綜合提高各關(guān)鍵技術(shù)的成熟度,材料的技術(shù)成熟度才會提高。
3 結(jié)束語
文章技術(shù)成熟度評價加權(quán)法只是技術(shù)成熟評價方法的一種,具有特定的適用范圍;不同的情況使用不同的評價方法,比如多項技術(shù)集成后,技術(shù)之間存在兼容和匹配的問題,相互對接會帶來系統(tǒng)層面的不確定和不成熟因素,這個時候需要采用模型對比法,引入綜合成熟度的概念衡量任何兩種由技術(shù)成熟度等級評估的技術(shù)的集成。
航空材料技術(shù)成熟度評價并不是簡單地得到一個等級數(shù)字后就束之高閣,更重要的是評價過程本身對項目的指導(dǎo)意義,通過評價能夠明確下一步工作重點、有效降低航空材料及其產(chǎn)品研制的風(fēng)險。
技術(shù)成熟度評價是風(fēng)險控制手段,也是技術(shù)創(chuàng)新的伙伴;技術(shù)創(chuàng)新能推動技術(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。
參考文獻
[1]陳亞莉.技術(shù)成熟度評估在材料開發(fā)中的應(yīng)用[J].航空科學(xué)技術(shù),2010,4:8-10.
[2]彭紹雄,薄延珍,李學(xué)園,等.艦船電子工程[J].2011,31(8):157-159+175.
[3]李瑤.航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價方法研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究,2010,23(2):47-51.