制造成熟度及其在我國航天的應用研究

（中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048）

1 引言

航天工程主要面臨兩方面風險：一是不成熟的技術；二是不成熟的制造能力。國外采用技術成熟度（TRL）和制造成熟度（MRL）評價方法，有助于管理和應對這兩大風險。其中，TRL 起源于美國國家航空航天局（NASA），進入21世紀以后，被美國國防部（DoD）、能源部（DoE）和問責辦公室（GAO）等機構廣泛使用。近年來，國內也開展了TRL 研究和應用，已經制定了相關標準、指南和法規，出版了相關著作［1］，在我國航天、航空等國防科技工業得到了應用，其作用和價值已經初步得到認可。在TRL得到廣泛應用的背景下，美國國防部制定了一種對制造能力和制造風險進行評價的方法［2］——MRL。

本文首先介紹了美國MRL 方法的產生背景、基本內容和采辦要求，分析了其應用特點。從我國航天制造的特點和面臨的挑戰出發，論述MRL 在我國航天的應用價值和局限性。立足國情，借鑒國外制定MRL的基本思路，研究提出了航天MRL方法，制定了航天MRL等級定義和各級評價檢查單，并提出了開展航天MRL 研究應用的相關建議，以期推動航天工程制造風險管理和制造能力提升。

2 美國國防部的MRL方法

美國國防部提出MRL 的概念主要有兩個背景：一是在美國眾多出現嚴重問題的航天和國防采辦項目中，制造問題和制造風險成為重要原因之一。例如，美國NASA 對1960至2000年間，50個太空系統的失敗原因進行了統計分析，發現在眾多導致系統失敗的原因中，生產制造以及對生產制造的試驗驗證是僅次于設計的第二大失敗要素［3］；此外，根據美國問責辦公室的報告［4］，在國防采辦項目的關鍵決策點，缺乏制造知識是導致項目“漲經費”和“拖進度”的重要原因。二是過去國防采辦項目一般采用生產就緒評審和制造能力評審等方法對制造狀態和風險進行評價，但是這種評審缺乏統一的評價標準，而且通常在項目研制的后期開展，在項目研制前期缺少對制造的評價。

因此，在TRL得到廣泛應用的背景下，美國國防部針對在采辦項目中如何評價制造能力和管理制造風險，尤其提前識別和規避進入批生產階段以后的制造風險，制定了MRL 評價指南［2］，并且在國防采辦項目管理中推行。

2.1 MRL的等級劃分及術語解釋

MRL用來表示項目中關鍵制造的成熟程度，它量化反映了制造能力對于項目目標的滿足程度。MRL等級，是對制造成熟程度進行度量和評測的一種標準。MRL 劃分為10個等級，隨著制造成熟度等級的提高，制造能力需要逐步在更加逼真的生產環境中完成驗證。它涵蓋了從提出制造概念到形成批量生產和精益化生產能力的全過程，體現了從研制到生產的一般發展過程。美國國防部的MRL 等級劃分及各級定義見表1。

表1 美國國防部的MRL等級劃分及定義Table 1 Definitions of MRLs of DoD

2.2 MRL的評價要素和各采辦階段的要求

MRL主要通過系統梳理9大制造要素，評價識別MRL級別。這9大制造要素分別是技術和工業基礎、設計、成本和投資、材料、工藝能力和控制、質量管理、制造人員、設施、制造管理。一些制造要素還可以繼續細分為若干制造風險子要素，如表2所示。

表2 美國國防部的MRL評價要素Table 2 MRL threads and sub-threads

續表

在MRL評價要素的基礎上，美國國防部進一步制定了9大制造要素在各個MRL 級別的具體要求［2］，這些要求體現了MRL 各級別的成熟特征和不同級別的差異，是制定MRL 檢查單，進而評價MRL時的重要依據。

美國國防部要求［4］，在采辦項目的A、B、C三個里程碑決策點進行系統工程技術評審并建立與制造相關的成功標準，開展MRL 評價，識別制造風險，制定制造成熟計劃。各采辦決策點對MRL和TRL級別的要求如圖1所示。

圖1 美國國防采辦項目階段與成熟度級別要求Fig.1 Relationship of MRLs to system milestones，TRLs，and technical reviews

2.3 制造成熟度與技術成熟度和產品成熟度的關聯關系

從圖1可以看出，MRL 與TRL 這兩個概念的相關性很強，類似“手拉手”的關系。一般情況下，制造準備的進展情況取決于TRL 和設計穩定狀態，如果產品技術或設計不穩定，制造成熟就無從談起。同時，驗證技術成熟所需的技術載體需要通過制造來完成，制造工藝達不到要求，技術同樣無法成熟。因此，對每一級的MRL 都包含了相應一級的TRL要求，即TRL 是MRL 的先決條件。但二者側重點不同，TRL 注重設計過程，強調通過技術載體的試驗驗證形成設計基線，但技術載體的制造過程，實際上處于黑箱狀態。MRL 關注技術向產品的轉化過程，關注在相應的TRL 時，產品制造對工藝、設備、成本等的相關要求。它著眼于將設計轉化為最終產品的制造工藝和制造系統的成熟程度，從制造的視角提供了統一的標準和衡量準則，對制造技術、系統或分系統的成熟度進行評價，系統梳理制造和生產過程中的風險因素，可在項目制造風險識別與管理方面發揮作用。

產品成熟度主要針對航天單機產品，它吸收了TRL和MRL的相關理念，研究產品從立項到生產定型的整個過程，強調從試樣（正樣）到生產定型之間的反復迭代［5］。產品成熟度是TRL 和MRL 的綜合集成，但注重產品重復生產使用和定型改進。TRL和MRL相對來說對設計和制造更具針對性，對研制的早期階段也給予了較多的關注，也適用于對預研項目成熟度的評估。產品的成熟離不開技術的成熟和制造的成熟，或者說只有當技術成熟和制造成熟到一定程度才有產品的成熟。

3 美國MRL在我國航天的應用價值和局限性分析

1）我國航天的制造特點和面臨的挑戰

我國航天制造從生產批量方面可以分為兩類：第一類是以單件或小批量生產為主的制造，例如戰略武器、運載火箭、衛星、飛船和探測器；第二類是以形成批量生產能力為主要特點的制造，例如戰術武器。制造特點也可以分為兩類：一類是以制造難度大為主要特點；另一類是以批生產難度大為主要特點。

我國航天工業在制造能力建設方面已經取得了一定的成就，但是航天制造仍然面臨一些挑戰，主要有3個方面：①產品能否制造出來的挑戰，即采用已有或新的制造技術、工藝和設備，能否制造出性能穩定的產品；②產品能否實現批產的挑戰，即對有批產能力要求的產品，能否建立起現代化的生產線，更好地滿足批生產的要求；③如何促進和監督制造技術成熟的挑戰，尤其是缺乏對制造技術的成熟狀態進行評價、分級和監督的方法。

2）MRL在我國航天的應用價值

MRL 可以發揮兩個方面的作用：一是通過MRL評價可以促進航天制造能力提升，幫助工程研制隊伍和管理部門更加客觀、量化地掌握制造能力發展情況，找出制造能力的短板和制約制造能力提升的瓶頸，通過制定制造成熟計劃，促進問題解決，加速制造能力提升，為航天制造能力提升機制建設提供幫助；二是通過MRL 評價可以加強航天工程的制造風險管理，可以更系統、更規范化、更量化地檢查和評價航天工程在制造技術和制造能力方面已經具備的基礎、存在的問題和風險，通過明確預研和工程研制各階段的準入和準出的MRL 等級要求，實現用“小資金”和“小時間”化解“大預算”和“拖進度”的風險，提高管理效益。

3）直接采用國外MRL方法存在的問題

通過前文分析可知，美國國防部的MRL 方法主要關注以形成批生產能力為特點的制造。美國NASA主要關注能否制造出單件、小批量產品的技術能力，采用TRL進行評價。我國航天產品的類型跨度大，兼有以上兩種制造的特點。如果直接采用美國國防部的MRL對制造技術進行評價，對于單件、小批量生產、制造難度大為主的制造類型不能直接適用。如果直接采用TRL對制造技術進行評價，不能突出制造成熟的特點。因此，需要結合我國航天制造的特點進行創新，構建相應的航天MRL方法。

4 構建我國航天MRL方法

基于對美國國防部的MRL 方法及其適用性分析，融合NASA 采用的TRL方法，面向我國航天工程構建MRL方法，主要介紹航天MRL等級定義和各級MRL評價檢查單。

4.1 航天MRL等級定義及有關術語解釋

航天MRL定義如表3所示。涵蓋了研制和批生產兩個階段。在研制階段，MRL重點關注能否制造出性能穩定的產品，同時逐步考慮將來批生產的問題；在批生產階段，MRL重點關注生產能力是否滿足要求，同時也解決研制階段對制造認識不足的問題。

表3 航天MRL等級定義Table 3 Definitions of MRLs for Chinese space industry

4.2 MRL評價檢查單

MRL評價檢查單，是用于對制造對象具體開展MRL評價的規范檢查單，依據MRL各級定義、內涵和要求制定，是確定制造對象成熟度等級的準則和依據，它的檢查項囊括了各級實現制造成熟目標所需完成的基本任務。檢查單具有通用性，不針對被評價的具體關鍵制造技術，但它是制定具體被評價關鍵制造技術評價細則的基礎。例如，MRL 3級的評價檢查單見表4。

表4 MRL3級評價檢查單Table 4 Assessment checklist for MRL 3

5 我國航天開展MRL研究和應用的建議

完善我國航天MRL 方法并發揮實際作用，需要一個循序漸進的過程。本文在此介紹我國航天開展MRL研究和應用的建議。

1）繼續完善航天MRL評價方法

美國從開始研究成熟度方法到首次出版《制造成熟度手冊》［2］，歷時6年。MRL 方法是一套針對制造風險和制造能力的系統管理方法。縱向看，它貫穿了從產生制造需求到形成批產能力的制造成熟全過程；橫向看，它包括了從基礎設施、工藝方法、材料與設備供應到質量控制和成本管理等各個制造成熟相關領域。一方面，結合我國航天制造特征，對MRL過程進行量化分級并輻射到各個相關制造領域，是一項復雜的系統工程；另一方面，制定有效的應用模式和流程，對完善與推廣成熟度方法的應用有重要作用。因此，有必要在吸收國外研究的基礎上，結合實際，進一步梳理包括制造要素在內的級別特征，研究各級MRL 評價檢查單等，完善航天MRL的量化評價方法，使之科學有效。

2）研究制定我國航天MRL評價規范

美國的《制造成熟度手冊》已經出版并持續修訂更新多次，對MRL方法的完善、推廣與應用起到了重要作用。MRL作為一種通用的制造能力量化分級標準，必須具備一定的統一性，才能用于制造信息溝通，發揮不同制造對象間的級別對比作用。有必要通過學習、借鑒和融合美國國防部和NASA 的成熟度方法，根據不同產品的制造和批產特點，突出制造成熟的特征，形成統一的、適用我國航天的MRL方法和規范。

3）結合重大航天工程開展MRL應用試點

理論結合實踐，才能得到檢驗與提升。在初步具備MRL方法之后，結合重大航天工程開展MRL應用試點，一方面檢驗其作用，另一方面根據實際工作中發現的問題，對其進行優化與完善，確保該方法能夠真正為工程管理、技術管理、風險管理提供支撐。建議選取MRL 評價試點的原則：一是制造難度大；二是生產能力急需提升；三是覆蓋復合材料結構、金屬材料結構、光機電一體化、電子元器件等主要制造類型。

4）逐步建立起MRL評價和提升機制

在航天產品和重大工程中，開展對關鍵制造技術（含批產能力）的分析與識別工作。提出型號和重大工程主要研發階段關鍵制造技術的成熟度要求，作為轉階段的重要條件之一，并在轉階段時進行MRL評價。在評價基礎上，確定成熟度發展目標，制定制造成熟計劃，逐步建立完善的成熟度提升機制，加速航天制造能力提升。

6 結束語

TRL 和MRL 評價方法具有重要的應用價值［6］，有助于應對航天工程面臨的兩大風險，促進國家科技計劃項目管理［7］，是航天系統工程在理論方法上的新拓展與應用。目前，通過總結國外經驗，支撐相關單位在重大專項工程中探索基于MRL 的研制管理方法研究和應用，已經取得了一定成果，積累了部分經驗，但推動我國航天工程實施成熟度管理并形成最佳實踐還具有很大的探索空間。

（References）

［1］吳燕生.技術成熟度及其評價方法［M］.北京：國防工業出版社，2012 Wu Yansheng.Technology readiness and its assessment method［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012（in Chinese）

［2］The OSD Manufacturing Technology Program in Collaboration with the Joint Service／Industry MRL Working Group.Manufacturing Readiness Level （MRL）Deskbook［R］.Washington D.C.：Department of Defense，2012

［3］J Steven Newman.Failure-space：A systems engineering look at 50space system failures［J］.Acta Astronautica，2001，48（5-12）：517-527

［4］Department of Defense.DoDI 5000.02Operation of the defense acquisition system［EB／OL］.［2008-12-08］.http：／／www.acqnotes.com／Attachents／DoD%20Instruction%205000.2.pdf

［5］袁家軍.航天產品工程［M］.北京：中國宇航出版社，2011 Yuan Jiajun.Space product engineering［M］.Beijing：China Astronautic Press，2011（in Chinese）

［6］袁家軍.航天產品成熟度研究［J］.航天器工程，2011，20（1）：1-15 Yuan Jiajun.Study of aerospace product maturity［J］.Spacecraft Engineering，2011，20（1）：1-15（in Chinese）

［7］陳華雄，歐陽進良，毛建軍.技術成熟度評價在國家科技計劃項目管理中的應用探討［J］.科技管理研究，2012，16：191-195 Chen Huaxiong，Ouyang Jinliang，Mao Jianjun.Study on application of technology maturity assessment in management of national science and technology program［J］.Science and Technology Management Research，2012，16：191-195（in Chinese）