航天制造成熟度評價(jià)研究與實(shí)踐

/中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

我國航天工業(yè)進(jìn)入了新的歷史發(fā)展時(shí)期，先進(jìn)制造能力和水平是完成高新裝備研制和生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)我國從航天大國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)的強(qiáng)大動力。面對將我國建設(shè)成為航天強(qiáng)國以更好地滿足國家戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求這一目標(biāo)，當(dāng)前我國航天制造面臨一些挑戰(zhàn)：如能否制造出符合高新裝備使用要求的產(chǎn)品；生產(chǎn)能力能否滿足裝備研制與采購的批生產(chǎn)要求；如何采取有效手段促進(jìn)制造技術(shù)順利成熟等,這些挑戰(zhàn)對航天裝備制造管理提出了新的要求。盡管我國已經(jīng)形成了一系列具有航天特色的傳統(tǒng)制造管理方法，但是總體來看航天制造管理尚處于定性管理手段偏多，定量及創(chuàng)新管理手段較少的狀態(tài)，尤其是缺乏對制造技術(shù)和制造能力進(jìn)行綜合評估和監(jiān)督檢查的成熟方法。

制造成熟度評價(jià)方法是美國國防部為有效評價(jià)制造能力和制造風(fēng)險(xiǎn)而提出的，已在美國得到了廣泛運(yùn)用，值得我國借鑒。但是如果將其與我國航天制造相結(jié)合，形成本地化的評價(jià)方法并且合理運(yùn)用從而發(fā)揮實(shí)效，還有待進(jìn)一步研究。筆者面向我國航天工程制造風(fēng)險(xiǎn)管理和制造能力提升，通過對國外制造成熟度評價(jià)方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理，研究提出了符合我國航天工程的制造成熟度方法體系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國航天工程制造管理流程，提出了一種集評估與提升策劃為一體的制造成熟度應(yīng)用模式。通過開展實(shí)證研究，有效驗(yàn)證了筆者提出的評估方法體系和應(yīng)用模式的可行性和科學(xué)性，為航天產(chǎn)品的制造管理提供了重要方法支撐。

一、國內(nèi)外制造成熟度研究現(xiàn)狀

國外十分注重航天裝備制造風(fēng)險(xiǎn)管理，采用了多種方法并且持續(xù)更新。NASA曾對1960～2000年間50個(gè)太空系統(tǒng)的失敗原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)、制造、工藝等方面出現(xiàn)問題是工程研制中僅次于設(shè)計(jì)的第二大失敗要素。美國問責(zé)局認(rèn)為，在國防采辦項(xiàng)目的關(guān)鍵決策點(diǎn)缺乏制造知識是導(dǎo)致項(xiàng)目“漲經(jīng)費(fèi)”和“拖進(jìn)度”的重要原因。

在制造風(fēng)險(xiǎn)管理方面，國外通常采用的方法有2種：一是采用技術(shù)成熟度對關(guān)鍵制造技術(shù)進(jìn)行評價(jià)，以確保制造技術(shù)的產(chǎn)品載體通過各種環(huán)境下的試驗(yàn)考核，從而滿足功能、性能要求；二是在裝備研制后期，采用生產(chǎn)就緒評審對制造問題進(jìn)行管理。然而，無論是技術(shù)成熟度評價(jià)還是生產(chǎn)就緒評審，在制造風(fēng)險(xiǎn)評估與管理中均存在明顯不足，例如技術(shù)成熟度可識別技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)對制造特點(diǎn)體現(xiàn)不足，無法有效識別生產(chǎn)、制造方面的風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)就緒評審在裝備研制后期實(shí)施，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期技術(shù)攻關(guān)及研制階段的制造風(fēng)險(xiǎn)。

2001年，美國國防部制定了與技術(shù)成熟度相協(xié)調(diào)互補(bǔ)的制造成熟度評估體系，用于確定裝備研制過程中制造技術(shù)、工藝、產(chǎn)品的成熟狀態(tài)，并于2007年發(fā)布了第一版《制造成熟度手冊》。2008年，美國國防部頒布DODI 5000.02指令，要求在采辦項(xiàng)目全周期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)開展制造成熟度評價(jià)，并提出了相應(yīng)的要求，例如在技術(shù)開發(fā)階段要求使用樣機(jī)或原型件來評估制造工藝，在工程與制造階段要求制造工藝已在試生產(chǎn)環(huán)境得到有效驗(yàn)證，在生產(chǎn)與部署階段要求重大制造風(fēng)險(xiǎn)為零且制造過程可控。

目前，制造成熟度已經(jīng)成為美國國防部采辦項(xiàng)目的強(qiáng)制性程序，成為裝備制造技術(shù)和能力評估的統(tǒng)一準(zhǔn)則和重要手段。2009～2010年，美國國會年撥款超過300萬美元用于國防部制造成熟度評估能力建設(shè)。空軍每年用于MRL/MRA研究和實(shí)施的經(jīng)費(fèi)超過400萬美元，在F135發(fā)動機(jī)葉片工藝等先期技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目、F-35進(jìn)氣道鉆孔等制造技術(shù)項(xiàng)目和AIM-120C-7導(dǎo)彈改型、MQ-9“死神”無人機(jī)等重大武器采辦項(xiàng)目中都已開展了評價(jià)并取得了顯著成效。除此之外，一些典型國防軍工機(jī)構(gòu)，例如波音、洛馬、雷神、西科斯基、GE、霍尼韋爾等也都采用制造成熟度方法識別和管理型號研制中的制造風(fēng)險(xiǎn)。

我國一些高等院校以及軍工單位也開展了制造成熟度相關(guān)研究，側(cè)重于制造成熟度相關(guān)情報(bào)分析，以及在我國不同裝備領(lǐng)域應(yīng)用的初步探索，但是尚未形成一套科學(xué)且經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的制造成熟度方法與應(yīng)用體系，特別是如何將制造成熟度與現(xiàn)有裝備制造管理體系有效融合從而發(fā)揮實(shí)效還有待深入研究。

二、我國航天制造成熟度評價(jià)方法體系

美國國防部的制造成熟度分為10個(gè)級別，主要針對有大批量生產(chǎn)要求的武器裝備，考核武器裝備研制周期各階段是否具備相應(yīng)的制造能力，強(qiáng)調(diào)最終實(shí)現(xiàn)大批量、全速率生產(chǎn)能力。對于我國航天中具有一定批量要求的導(dǎo)彈武器裝備，美國國防部的制造成熟度方法具有一定的適用性，制造成熟的過程和內(nèi)涵也相似。但是，對于以單件制造為特點(diǎn)的航天型號工程，如戰(zhàn)略武器、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、飛船等，美國國防部的制造成熟度方法不太適用。因此，需要結(jié)合我國航天制造特點(diǎn)，建立一套全面的、適應(yīng)各類制造特點(diǎn)的航天制造成熟度方法。

表1 航天制造成熟度等級定義劃分

1.我國航天制造成熟度等級定義

我國航天制造既包含具有批量生產(chǎn)要求的制造類型，又包括小子樣制造類型，因此，筆者研究提出了一種普適的、可裁剪使用的航天制造成熟度定義。在該定義中，一方面關(guān)注能否制造出工程要求的、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品（單件制造類產(chǎn)品主要關(guān)注的問題），另一方面針對有批量要求的工程，還需關(guān)注人、機(jī)、料、法、環(huán)等制造要素逐步實(shí)現(xiàn)批生產(chǎn)能力要求的過程。

對于大批量生產(chǎn)的制造類型，其MRL定義（見表1）包含10個(gè)等級。對于單件或小子樣制造類型，其MRL定義只包括MRL1-9級，并且MRL8、MRL9級中的關(guān)于小批量生產(chǎn)的內(nèi)容可根據(jù)實(shí)際制造能力要求進(jìn)行裁減。

2.制造成熟度評價(jià)檢查單

制造成熟度等級定義宏觀地對航天制造的成熟過程進(jìn)行了劃分，但無法實(shí)現(xiàn)制造成熟度的精細(xì)化評價(jià)。為此，筆者研究提出將基于制造關(guān)鍵要素的制造成熟度評價(jià)檢查單作為制造成熟度評價(jià)的基本工具，研究提出制造成熟度檢查單（見表2）。

表2 航天制造成熟度評價(jià)檢查單

表3 MRL5級評價(jià)細(xì)則示意

在表2的檢查單中，前6條檢查項(xiàng)考察的是各制造要素，即人員、設(shè)備、材料、工藝、環(huán)境、檢測等能否滿足制造要求，第7條和第8條考察的是制造出的樣件的關(guān)鍵功能和性能是否在相應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證，第9條考察的是為了實(shí)現(xiàn)最終要求的單件制造或批生產(chǎn)要求，是否在該級別充分考慮了當(dāng)前制造能力與最終要求的差別，并且制定了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避計(jì)劃。

在實(shí)際使用時(shí)，還需要根據(jù)各檢查項(xiàng)進(jìn)一步細(xì)化要求，制定評價(jià)細(xì)則（見表3），然后根據(jù)評價(jià)細(xì)則的實(shí)際完成情況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化評價(jià)。

三、制造成熟度在航天工程中的應(yīng)用案例研究

在研究提出制造成熟度評價(jià)方法體系后，如何將制造成熟度方法體系與現(xiàn)有航天制造管理流程融合，避免評價(jià)工作脫離管理實(shí)際，是筆者關(guān)注的另一重點(diǎn)。航天型號工程要求制造成熟度評價(jià)能夠解決實(shí)際問題，能夠?yàn)楣こ萄兄婆c管理服務(wù)，而不是為了評價(jià)而評價(jià)。因此，在深度調(diào)研航天典型制造單位評價(jià)需求的基礎(chǔ)上，研究提出了一種集評估與提升策劃為一體的制造成熟度應(yīng)用模式，如圖1所示。

圖1 制造成熟度在航天工程中的應(yīng)用模式

主要實(shí)施步驟為：首先要明確關(guān)鍵制造的目標(biāo)MRL等級；其次開展制造成熟度評價(jià)，識別當(dāng)前制造的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，評價(jià)當(dāng)前MRL等級；最后針對當(dāng)前MRL等級與目標(biāo)MRL等級的差距，開展基于制造成熟度的工作策劃，明確各級需要開展的主要工作，制定制造成熟計(jì)劃。

表4 某航天典型產(chǎn)品MRL5級工作策劃表

筆者以航天某典型復(fù)合材料產(chǎn)品為例，開展了制造成熟度評價(jià)與策劃案例研究工作。該復(fù)合材料產(chǎn)品是導(dǎo)彈武器的關(guān)鍵部段，其性能優(yōu)劣影響飛行任務(wù)成敗，屬于小子樣制造類型。

案例研究的主要過程如下：

一是航天某工程要求該產(chǎn)品在未來某關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)達(dá)到MRL5級。

二是采用表1中的制造成熟度定義以及相應(yīng)的評價(jià)檢查單對該產(chǎn)品的當(dāng)前等級進(jìn)行評價(jià)。通過自評價(jià)和專家評價(jià)2個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品當(dāng)前完成了改進(jìn)的原理樣件的研制（縮比結(jié)構(gòu)件），在實(shí)驗(yàn)室中對結(jié)構(gòu)件的力、熱性能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，初步完成了關(guān)鍵工藝攻關(guān)工作，梳理了主要風(fēng)險(xiǎn)并且制定了技術(shù)改進(jìn)、配套設(shè)施建設(shè)和設(shè)備采購等風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避計(jì)劃。因此，當(dāng)前該產(chǎn)品的制造成熟度等級評價(jià)為MRL4級。

三是通過MRL評價(jià)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前等級距離要求的MRL5級需要跨越一個(gè)級別。策劃工作分為2步，首先，對標(biāo)MRL5級評價(jià)檢查單，梳理MRL5級工作要求，然后策劃從目前狀態(tài)達(dá)到MRL5級需要開展的主要工作（見表4）。

筆者在深度剖析國外制造成熟度對我國航天制造的適用性的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國航天制造類型，提出了一種普適的、可供裁剪使用的制造成熟度等級定義以及基于評價(jià)檢查單的評價(jià)方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國航天工程開展制造成熟度評價(jià)的實(shí)際需求，提出了一種評估+策劃的一體化應(yīng)用方法，并且以某航天典型復(fù)合材料產(chǎn)品為例進(jìn)行了應(yīng)用研究。筆者提出的制造成熟度評估與策劃方法一方面可以有效評估當(dāng)前制造狀態(tài)，另一方面可以通過策劃制定制造成熟計(jì)劃，為促進(jìn)工程合理攻關(guān)、制造資源整合與制造能力提升提供了一種有力抓手與創(chuàng)新管理手段。