產品成熟度提升及其在批產衛星研制中的應用

肖剛 姜萬杰 吳振宇 董方成 張洪波

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

早在20 世紀70年代，美國國家航空航天局（NASA）提出技術成熟度（Technology Readiness Levels，TRL）概念，主要針對應用新技術研制的新產品，強調從技術開發到產品轉化過程中新技術應用的完備性及其驗證的充分性。2003年，美國國防部（DoD）頒布了《技術成熟度評估手冊》，將技術成熟度等級劃分為9級；2009年，頒布了《制造成熟度評估手冊》，將制造成熟度等級劃分為10級［1-3］。

2003年，中國航天企業提出了產品成熟度概念，開始在產品成熟度技術上進行初步探索，主要是為適應航天器由單件研制向小批量生產轉型這一新的發展趨勢，針對航天產品研制品種多、狀態多、研制隊伍相對分散、老產品質量問題多、產品創新能力相對不足等問題而開展的。2007年，中國航天企業將產品成熟度劃分為預研產品、工程產品、飛行成品、成熟產品和定型產品等5 個等級［4］。2009年，中國航天企業發布了企業標準，將單機產品成熟度劃分為8個等級［5］。其中，1～4級產品是產品初次研制階段，主要開展原理樣機、工程樣機和飛行產品的研制；5級產品是經過多次飛行，能夠在軌穩定運行的成熟產品，達到此標準的產品可以逐級申報航天企業三級、二級、一級定型產品，分別對應成熟度等級的6、7、8級。

在產品成熟度概念被規范之后，中國航天企業通過產品定型工作開展了產品成熟度的提升研究。本文通過介紹產品成熟度提升的概念及應用，總結了產品定型工作對于產品成熟度提升研究的方法與意義，以及在批產衛星研制中的應用，可為后續航天產品成熟度提升提供參考。

2 產品成熟度提升的概念

2．1 概念

產品成熟度是對產品在研制、生產及使用環節等全生命周期所有技術要素的合理性、完備性記憶在一定功能、性能水平下質量穩定性的一種度量［6］，已 在 航 天 器 上 成 功 使 用，并 經 過3 次 或3 次以上實際空間飛行，符合設計要求的產品被稱為成熟產品。

產品成熟度提升是產品成熟度等級提高的過程，是在產品固有的功能性能基礎上，采取一定的工作方式或合理的工作流程提高產品的成熟度等級。產品成熟度提升研究的重點，是產品成熟的本質特征和內在規律，其目的是針對小子樣、高可靠、高質量等特點，為航天產品快速成熟提供有效途徑和方法。本文結合批產衛星產品小子樣相對較多的特點，給出了驗證關鍵特性、識別薄弱環節、固化操作流程、建立數據包絡的4種提升方法，可推廣用于其它的航天產品開展成熟度提升工作。

推行產品成熟度提升具有如下意義：①產品成熟度等級的提升，尤其是對于上貨架產品（或現貨產品）［7］，可以表征該類產品的性能與功能穩定、可靠；②開展成熟度提升工作，可以充分識別產品的設計、工藝、過程控制三類關鍵特性，提高對產品的技術認識程度；③開展成熟度提升工作，可以促進產品生產質量穩定，提升產品研制單位的設計能力、競爭力，提高批量產品性能的一致性與可靠性。

2．2 成熟度提升與產品定型的關系

產品成熟度提升的過程分為產品初次研制、產品重復生產和使用、產品定型和升級改進3個階段。開展產品定型就是開展產品成熟度提升的第3階段［6］。

產品的定型工作是指對飛行產品（含以飛行產品為基線并經過鑒定試驗的產品）或成熟產品進行設計定型、工藝定型及測試、試驗規范化，完善產品保證文件，保證每批產品的質量穩定、性能一致性好，達到可以穩定重復生產的過程。產品定型時，產品完成小批量生產和應用驗證后的狀態固化和持續改進的過程，是產品進入貨架（現貨）供應模式并進一步提升成熟度的重要工作［8］。

產品成熟度是對產品穩定、可靠程度的一種認可，通常用成熟度等級來表征產品的成熟程度。而產品定型，是在對產品成熟度認可的基礎上開展的系列技術與管理活動，確保該產品的成熟度可以完整可靠地延續，產品定型意味著產品上貨架，具備了不同型號之間的通用選擇功能。定型產品具有一定的成熟度水平。

3 產品成熟度提升在批產衛星中的應用

北斗導航衛星作為批產衛星研制的代表型號，其生產模式從原來的單一衛星研制逐步進入小批量研制、模式。在批產衛星研制模式下，實現關鍵產品的成熟條件相對容易，這主要得益于衛星發射的頻率以及產品選用的數量。在2010年至2012年的3年時間內，我國陸續成功發射了十幾顆導航衛星，滿足5級成熟度產品規定的至少3次成功飛行考核、單次在軌正常工作時間不少于2年等基本要求。基于此，航天企業選擇了批產衛星作為產品成熟度提升研究的工作對象，并結合衛星研制特點，按照初始識別、深入研究、完成提升3 個階段來開展應用工作。圖1為成熟度提升路線。

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

3．1 初始成熟度識別

成熟度提升工作初始，衛星系統組織設計、工藝、可靠性、環境試驗、產品化等方面的專家隊伍，對照宇航單機產品成熟度等級的劃分與規定［5］，根據定型產品實際狀態，從設計、工藝、產品保證和過程控制、試驗驗證、數據包飛行驗證等方面，對1級到2級、2級到3級、3級到4級、4級到5級進行了比對分析工作，開展了本級成熟度識別完善工作，重點進行產品技術狀態的基線梳理。確定了衛星系統34臺類典型單機產品的初始成熟度，再根據后續應用需求確定了產品的成熟度提升目標。針對初始成熟度等級情況，分析產品是否適應下一個高等級的成熟度培育，明確方向后，確定為目標成熟度等級［8］。

3．2 提升的方法

1）驗證產品關鍵特性

決定產品成熟度的關鍵特性主要包括設計、工藝和過程控制3個方面，要提升產品的成熟度，就要加強產品的設計、工藝、過程控制三類關鍵特性的分析。目前有部分產品在各類專項課題中開展了試驗驗證、設計仿真分析等相關工作，驗證了一些關鍵特性，為產品定型奠定了一定基礎。但這些工作項目不能覆蓋定型工作的全部要求，還須補充開展部分試驗和分析的專項工作，比如：產品極限拉偏試驗、產品長壽命考核試驗等。

驗證產品關鍵特性的方法主要是對3類關鍵特性的設計正確性、工藝穩定性、過程控制有效性進行驗證與確認；驗證的手段一般有數據分析、仿真分析和試驗驗證。

2）識別產品薄弱環節

開展產品“再設計、再分析、再驗證”（簡稱“三再”）的工作方法，從產品的結構、功能、特性開展梳理，由上到下逐級進行分析，再次識別單機的薄弱環節［9］，并對薄弱環節進行分類，分為設計改進、工藝完善、過程控制、試驗驗證和數據包完善。

識別產品薄弱環節的方法主要是找到產品的結構、功能及特性方面存在的易失效模式，并提出完善建議；識別的手段一般有“三再”、“1＋6＋2”（1為故障模式與影響分析，6為可靠性專項設計：熱設計、元器件降額設計、抗力學環境設計、電磁兼容性設計、抗輻射設計、靜電防護設計，2為元器件可靠性使用與試驗驗證）及產品級相關驗證試驗。

3）固化生產操作流程

產品在生產過程中，主要通過對各類文件的嚴格審查來控制產品的生產質量。通過對生產指導類文件、操作過程類文件及過程控制類文件進一步復查，梳理并改進一些細節問題，保證文件可操作性、可檢查性、可重復性生產，使其更具有生產指導意義。同時，鑒于批產衛星的數量與質量可靠性，對工藝文件參數細化量化，可保證產品重復穩定生產。

固化生產操作流程的方法主要是對生產指導文件、操作過程文件、過程控制文件進行可操作、可檢查、可重復等三個方面的檢查與改進；固化的手段有文件分類管理和文件歸檔。

4）建立產品數據包絡

各單機產品對地面各類數據進行收集和整理，在批產的設備范圍內開展不同批次投產的產品數據一致性的比對工作，形成產品地面數據包絡；產品數據包中包含產品的功能、性能參數指標要求；同時，對產品在軌工作相關數據進行收集和整理，后續對整理后的數據開展產品數據一致性的比對工作，并形成產品在軌數據包絡，對產品在軌工作趨勢進行分析；各產品將地面數據、在軌數據結合，逐步建立產品的數據庫，為后續定型和產品應用提供數據支持。

建立產品數據包絡的方法，主要是對產品設計、生產、總裝、在軌等階段的功能、性能指標（含軟件）進行歸類匯總與比對分析；建立的手段主要是收集單機產品在各個階段的測試數據。

3．3 提升結果

衛星系統在成熟度提升工作的后期，確立了6臺類三級定型單機產品，這些產品重點開展了環境適應性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗考核，完成了產品可靠性評估、相關定型程序等工作。

其余28臺類單機產品將以3級、4級或5級成熟度為目標開展成熟度提升或定級工作，重點以開展文件固化、產品規范和數據包完善、飛行產品基礎數據包建立、完善和比對分析，形成功能、性能參數的地面模擬飛行環境驗收級實測數據和所有其它地面測試數據，以及壽命試驗考核等工作。

4 產品成熟度提升的建議

1）完善基礎規范體系，指導產品成熟度提升

按照宇航單機產品成熟度定級規定［5］，單機產品須提升產品成熟度至5級或5級以上時，產品在試驗方面的考核要求大大提高，除須完成壽命考核試驗外，還對環境適應性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗提出相關要求。這些試驗要求對于電子類、結構類、機電類等不同類產品實物來說，須開展多種不同的試驗項目。

但是，目前國內相關的基礎規范體系中，對于這些不同類產品開展試驗的樣本數要求、評定標準和定型可靠性評估方法等還存在要求不明確、無依據執行、規范遵循難等問題。要完成好這些試驗項目，就還要對基礎規范體系繼續探索和研究，并完善這些規范體系才能更好地指導工程應用。

2）提前開展極限試驗，有助產品成熟度提升

事實上，部分單機產品在從低等級成熟度向高等級成熟度轉變的過程中，產品的極限試驗工作沒能有效開展，這極大地制約了產品成熟度的提升。認識到單機產品的自身特殊性，關注這臺產品的關鍵特性與后續使用情況的預估，在產品研制初期，有針對性地開展部分極限試驗，將有助于該產品的成熟度提升，這取決于對單機產品性能以及成熟度工作本身的認識與理解。在單機產品確立為航天器系統中的重點或關鍵單機之后，應盡可能提前安排關鍵單機產品的壽命考核與極限拉偏試驗，在對產品的性能進行摸底的同時，可為后續開展成熟度提升提供有力依據。

3）研究成熟度模型，推動產品成熟度提升

成熟度模型是用于描述和評估事物處于能達到某種期望能力的狀態或程度的框架與方法，包含了對相關領域的成熟度定義和如何對成熟度進行評估、改進的方法和程序等內容。國外早在20 世紀90年代，就開展了對成熟度模型的研究，常見模型已發展到30多種。建議在后續的研制工作中分步實施成熟度模型研究［10］：①理解成熟度模型概念，找到應用模型的最佳方式；②將開展成熟度研究的產品的各個特征值與模型所描述項目進行比較，確定須改進項目；③擬定改進計劃，實施必要的文件補充、試驗驗證等措施，改進產品相關項目；④重復項目評估，循環改進產品，擴展模型的廣度與深度。

5 結束語

產品成熟度提升不僅是提高產品成熟度等級的過程與手段，也為識別產品的各類特性和梳理失效模式提供了解決途徑，其最終目標都是為了航天器產品在軌穩定可靠運行。同時，產品成熟度提升還是產品成熟度工作中的關鍵環節，開展產品成熟度提升研究，就是要摸清產品成熟度提升的工作路線，采用合理的方式方法，達到產品成熟度等級提升的目的。本文通過對批產衛星型號研制中開展成熟度提升工作的研究，總結出了一套適用于我國航天產品成熟度提升的路徑與方法，后續工作將繼續完善基礎規范體系等，以有效地推進航天領域的產品成熟度工作。

（References）

［1］Office of the Chief Engineer．NASA program and project management processes and requirements ［M］．Washington D．C．：NASA，2007

［2］Department of Defense．Technology Readiness Assessment（TRA）deskbook ［R］．Washington D．C．：DoD，2009

［3］Department of Defense．Manufacturing readiness assessment deskbook［R］．Washington D．C．：DoD，2009

［4］朱毅麟．開展技術成熟度研究［J］．航天標準化，2008（2）：12-14

Zhu Yilin．Study of technology readiness［J］．Aerospace Standardization，2008（2）：12-14（in Chinese）

［5］袁家軍．航天產品成熟度研究［J］．航天器工程，2011，20（1）：1-7

Yuan Jiajun．Study of eraospace product maturity［J］．Spacecraft Engineering，2011，20（1）：1-7（in Chinese）

［6］牛慶鋒．貨架式產品管理模式實踐［J］．航天工業管理，2011（6）：49-53

Niu Qingfeng．Practice of shelf-style product management mode［J］．Aerospace Industry Management，2011（6）：49-53（in Chinese）

［7］袁家軍．航天產品工程［M］．北京：中國宇航出版社，2011

Yuan Jiajun．Aerospace products engineering［M］．Beijing：China Astronautics Press，2011（in Chinese）

［8］袁家軍．航天工程精細化質量管理［J］．中國工程科學，2011，13（8）：36-42

Yuan Jiajun．Meticulous quality management in aerospace project［J］．Engineering Science，2011，13（8）：36-42（in Chinese）

［9］郭振偉，黃威，朱北園，等．通過“再設計、再分析、再驗證”提升關鍵單機產品成熟度［J］．航天工業管理，2011（6）：54-59

Guo Zhenwei，Huang Wei，Zhu Beiyuan，et al．Improve critical unit-product maturity by‘re-design、re-analysis、re-verification’［J］．Aerospace Industry Management，2011，6：54-59（in Chinese）

［10］王衛東，朱杏生，李宇峰，等．空間產品成熟度模型的建立與應用研究［J］．航天工業管理，2007（7）：26-31

Wang Weidong，Zhu Xingsheng，Li Yufeng，et al．Research of maturity model building and application research in space products ［J］．Aerospace Industry Management，2007（7）：26-31（in Chinese）