產(chǎn)品成熟度提升及其在批產(chǎn)衛(wèi)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(chǎn)品，強調從技術開發(fā)到產(chǎn)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(yè)提出了產(chǎn)品成熟度概念，開始在產(chǎn)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(chǎn)轉型這一新的發(fā)展趨勢，針對航天產(chǎn)品研制品種多、狀態(tài)多、研制隊伍相對分散、老產(chǎn)品質量問題多、產(chǎn)品創(chuàng)新能力相對不足等問題而開展的。2007年，中國航天企業(yè)將產(chǎn)品成熟度劃分為預研產(chǎn)品、工程產(chǎn)品、飛行成品、成熟產(chǎn)品和定型產(chǎn)品等5 個等級［4］。2009年，中國航天企業(yè)發(fā)布了企業(yè)標準，將單機產(chǎn)品成熟度劃分為8個等級［5］。其中，1～4級產(chǎn)品是產(chǎn)品初次研制階段，主要開展原理樣機、工程樣機和飛行產(chǎn)品的研制；5級產(chǎn)品是經(jīng)過多次飛行，能夠在軌穩(wěn)定運行的成熟產(chǎn)品，達到此標準的產(chǎn)品可以逐級申報航天企業(yè)三級、二級、一級定型產(chǎn)品，分別對應成熟度等級的6、7、8級。

在產(chǎn)品成熟度概念被規(guī)范之后，中國航天企業(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用，總結了產(chǎn)品定型工作對于產(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要素的合理性、完備性記憶在一定功能、性能水平下質量穩(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 次以上實際空間飛行，符合設計要求的產(chǎn)品被稱為成熟產(chǎn)品。

產(chǎn)品成熟度提升是產(chǎn)品成熟度等級提高的過程，是在產(chǎn)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(chǎn)品的成熟度等級。產(chǎn)品成熟度提升研究的重點，是產(chǎn)品成熟的本質特征和內(nèi)在規(guī)律，其目的是針對小子樣、高可靠、高質量等特點，為航天產(chǎn)品快速成熟提供有效途徑和方法。本文結合批產(chǎn)衛(wèi)星產(chǎn)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(huán)節(jié)、固化操作流程、建立數(shù)據(jù)包絡的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)品成熟度等級的提升，尤其是對于上貨架產(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，可以充分識別產(chǎn)品的設計、工藝、過程控制三類關鍵特性，提高對產(chǎn)品的技術認識程度；③開展成熟度提升工作，可以促進產(chǎn)品生產(chǎn)質量穩(wěn)定，提升產(chǎn)品研制單位的設計能力、競爭力，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)品重復生產(chǎn)和使用、產(chǎn)品定型和升級改進3個階段。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飛行產(chǎn)品（含以飛行產(chǎn)品為基線并經(jīng)過鑒定試驗的產(chǎn)品）或成熟產(chǎn)品進行設計定型、工藝定型及測試、試驗規(guī)范化，完善產(chǎn)品保證文件，保證每批產(chǎn)品的質量穩(wěn)定、性能一致性好，達到可以穩(wěn)定重復生產(chǎn)的過程。產(chǎn)品定型時，產(chǎn)品完成小批量生產(chǎn)和應用驗證后的狀態(tài)固化和持續(xù)改進的過程，是產(chǎn)品進入貨架（現(xiàn)貨）供應模式并進一步提升成熟度的重要工作［8］。

產(chǎn)品成熟度是對產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠程度的一種認可，通常用成熟度等級來表征產(chǎn)品的成熟程度。而產(chǎn)品定型，是在對產(chǎn)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(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)星中的應用

北斗導航衛(wèi)星作為批產(chǎn)衛(wèi)星研制的代表型號，其生產(chǎn)模式從原來的單一衛(wèi)星研制逐步進入小批量研制、模式。在批產(chǎn)衛(wèi)星研制模式下，實現(xiàn)關鍵產(chǎn)品的成熟條件相對容易，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年時間內(nèi)，我國陸續(xù)成功發(fā)射了十幾顆導航衛(wèi)星，滿足5級成熟度產(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象，并結合衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)組織設計、工藝、可靠性、環(huán)境試驗、產(chǎn)品化等方面的專家隊伍，對照宇航單機產(chǎn)品成熟度等級的劃分與規(guī)定［5］，根據(jù)定型產(chǎn)品實際狀態(tài)，從設計、工藝、產(chǎn)品保證和過程控制、試驗驗證、數(shù)據(jù)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(chǎn)品技術狀態(tài)的基線梳理。確定了衛(wèi)星系統(tǒng)34臺類典型單機產(chǎn)品的初始成熟度，再根據(jù)后續(xù)應用需求確定了產(chǎn)品的成熟度提升目標。針對初始成熟度等級情況，分析產(chǎn)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(chǎn)品關鍵特性

決定產(chǎn)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(chǎn)品的成熟度，就要加強產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品極限拉偏試驗、產(chǎn)品長壽命考核試驗等。

驗證產(chǎn)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(wěn)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(shù)據(jù)分析、仿真分析和試驗驗證。

2）識別產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)

開展產(chǎn)品“再設計、再分析、再驗證”（簡稱“三再”）的工作方法，從產(chǎn)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(huán)節(jié)［9］，并對薄弱環(huán)節(jié)進行分類，分為設計改進、工藝完善、過程控制、試驗驗證和數(shù)據(jù)包完善。

識別產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的方法主要是找到產(chǎn)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(huán)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(chǎn)品級相關驗證試驗。

3）固化生產(chǎn)操作流程

產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，主要通過對各類文件的嚴格審查來控制產(chǎn)品的生產(chǎn)質量。通過對生產(chǎn)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(jié)問題，保證文件可操作性、可檢查性、可重復性生產(chǎn)，使其更具有生產(chǎn)指導意義。同時，鑒于批產(chǎn)衛(wèi)星的數(shù)量與質量可靠性，對工藝文件參數(shù)細化量化，可保證產(chǎn)品重復穩(wěn)定生產(chǎn)。

固化生產(chǎn)操作流程的方法主要是對生產(chǎn)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(chǎn)品數(shù)據(jù)包絡

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

建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)包絡的方法，主要是對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、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(chǎn)品在各個階段的測試數(shù)據(jù)。

3．3 提升結果

衛(wèi)星系統(tǒng)在成熟度提升工作的后期，確立了6臺類三級定型單機產(chǎn)品，這些產(chǎn)品重點開展了環(huán)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(chǎn)品可靠性評估、相關定型程序等工作。

其余28臺類單機產(chǎn)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(chǎn)品規(guī)范和數(shù)據(jù)包完善、飛行產(chǎn)品基礎數(shù)據(jù)包建立、完善和比對分析，形成功能、性能參數(shù)的地面模擬飛行環(huán)境驗收級實測數(shù)據(jù)和所有其它地面測試數(shù)據(jù)，以及壽命試驗考核等工作。

4 產(chǎn)品成熟度提升的建議

1）完善基礎規(guī)范體系，指導產(chǎn)品成熟度提升

按照宇航單機產(chǎn)品成熟度定級規(guī)定［5］，單機產(chǎn)品須提升產(chǎn)品成熟度至5級或5級以上時，產(chǎn)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(huán)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(chǎn)品實物來說，須開展多種不同的試驗項目。

但是，目前國內(nèi)相關的基礎規(guī)范體系中，對于這些不同類產(chǎn)品開展試驗的樣本數(shù)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(jù)執(zhí)行、規(guī)范遵循難等問題。要完成好這些試驗項目，就還要對基礎規(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工程應用。

2）提前開展極限試驗，有助產(chǎn)品成熟度提升

事實上，部分單機產(chǎn)品在從低等級成熟度向高等級成熟度轉變的過程中，產(chǎn)品的極限試驗工作沒能有效開展，這極大地制約了產(chǎn)品成熟度的提升。認識到單機產(chǎn)品的自身特殊性，關注這臺產(chǎn)品的關鍵特性與后續(xù)使用情況的預估，在產(chǎn)品研制初期，有針對性地開展部分極限試驗，將有助于該產(chǎn)品的成熟度提升，這取決于對單機產(chǎn)品性能以及成熟度工作本身的認識與理解。在單機產(chǎn)品確立為航天器系統(tǒng)中的重點或關鍵單機之后，應盡可能提前安排關鍵單機產(chǎn)品的壽命考核與極限拉偏試驗，在對產(chǎn)品的性能進行摸底的同時，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，推動產(chǎn)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(tài)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(nèi)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(fā)展到30多種。建議在后續(xù)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(chǎn)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(chǎn)品相關項目；④重復項目評估，循環(huán)改進產(chǎn)品，擴展模型的廣度與深度。

5 結束語

產(chǎn)品成熟度提升不僅是提高產(chǎn)品成熟度等級的過程與手段，也為識別產(chǎn)品的各類特性和梳理失效模式提供了解決途徑，其最終目標都是為了航天器產(chǎn)品在軌穩(wěn)定可靠運行。同時，產(chǎn)品成熟度提升還是產(chǎn)品成熟度工作中的關鍵環(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，達到產(chǎn)品成熟度等級提升的目的。本文通過對批產(chǎn)衛(wèi)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(chǎn)品成熟度提升的路徑與方法，后續(xù)工作將繼續(xù)完善基礎規(guī)范體系等，以有效地推進航天領域的產(chǎn)品成熟度工作。

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