制造成熟度及其在我国航天的应用研究

（中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048）

1 引言

航天工程主要面临两方面风险：一是不成熟的技术；二是不成熟的制造能力。国外采用技术成熟度（TRL）和制造成熟度（MRL）评价方法，有助于管理和应对这两大风险。其中，TRL 起源于美国国家航空航天局（NASA），进入21世纪以后，被美国国防部（DoD）、能源部（DoE）和问责办公室（GAO）等机构广泛使用。近年来，国内也开展了TRL 研究和应用，已经制定了相关标准、指南和法规，出版了相关著作［1］，在我国航天、航空等国防科技工业得到了应用，其作用和价值已经初步得到认可。在TRL得到广泛应用的背景下，美国国防部制定了一种对制造能力和制造风险进行评价的方法［2］——MRL。

本文首先介绍了美国MRL 方法的产生背景、基本内容和采办要求，分析了其应用特点。从我国航天制造的特点和面临的挑战出发，论述MRL 在我国航天的应用价值和局限性。立足国情，借鉴国外制定MRL的基本思路，研究提出了航天MRL方法，制定了航天MRL等级定义和各级评价检查单，并提出了开展航天MRL 研究应用的相关建议，以期推动航天工程制造风险管理和制造能力提升。

2 美国国防部的MRL方法

美国国防部提出MRL 的概念主要有两个背景：一是在美国众多出现严重问题的航天和国防采办项目中，制造问题和制造风险成为重要原因之一。例如，美国NASA 对1960至2000年间，50个太空系统的失败原因进行了统计分析，发现在众多导致系统失败的原因中，生产制造以及对生产制造的试验验证是仅次于设计的第二大失败要素［3］；此外，根据美国问责办公室的报告［4］，在国防采办项目的关键决策点，缺乏制造知识是导致项目“涨经费”和“拖进度”的重要原因。二是过去国防采办项目一般采用生产就绪评审和制造能力评审等方法对制造状态和风险进行评价，但是这种评审缺乏统一的评价标准，而且通常在项目研制的后期开展，在项目研制前期缺少对制造的评价。

因此，在TRL得到广泛应用的背景下，美国国防部针对在采办项目中如何评价制造能力和管理制造风险，尤其提前识别和规避进入批生产阶段以后的制造风险，制定了MRL 评价指南［2］，并且在国防采办项目管理中推行。

2.1 MRL的等级划分及术语解释

MRL用来表示项目中关键制造的成熟程度，它量化反映了制造能力对于项目目标的满足程度。MRL等级，是对制造成熟程度进行度量和评测的一种标准。MRL 划分为10个等级，随着制造成熟度等级的提高，制造能力需要逐步在更加逼真的生产环境中完成验证。它涵盖了从提出制造概念到形成批量生产和精益化生产能力的全过程，体现了从研制到生产的一般发展过程。美国国防部的MRL 等级划分及各级定义见表1。

表1 美国国防部的MRL等级划分及定义Table 1 Definitions of MRLs of DoD

2.2 MRL的评价要素和各采办阶段的要求

MRL主要通过系统梳理9大制造要素，评价识别MRL级别。这9大制造要素分别是技术和工业基础、设计、成本和投资、材料、工艺能力和控制、质量管理、制造人员、设施、制造管理。一些制造要素还可以继续细分为若干制造风险子要素，如表2所示。

表2 美国国防部的MRL评价要素Table 2 MRL threads and sub-threads

续表

在MRL评价要素的基础上，美国国防部进一步制定了9大制造要素在各个MRL 级别的具体要求［2］，这些要求体现了MRL 各级别的成熟特征和不同级别的差异，是制定MRL 检查单，进而评价MRL时的重要依据。

美国国防部要求［4］，在采办项目的A、B、C三个里程碑决策点进行系统工程技术评审并建立与制造相关的成功标准，开展MRL 评价，识别制造风险，制定制造成熟计划。各采办决策点对MRL和TRL级别的要求如图1所示。

图1 美国国防采办项目阶段与成熟度级别要求Fig.1 Relationship of MRLs to system milestones，TRLs，and technical reviews

2.3 制造成熟度与技术成熟度和产品成熟度的关联关系

从图1可以看出，MRL 与TRL 这两个概念的相关性很强，类似“手拉手”的关系。一般情况下，制造准备的进展情况取决于TRL 和设计稳定状态，如果产品技术或设计不稳定，制造成熟就无从谈起。同时，验证技术成熟所需的技术载体需要通过制造来完成，制造工艺达不到要求，技术同样无法成熟。因此，对每一级的MRL 都包含了相应一级的TRL要求，即TRL 是MRL 的先决条件。但二者侧重点不同，TRL 注重设计过程，强调通过技术载体的试验验证形成设计基线，但技术载体的制造过程，实际上处于黑箱状态。MRL 关注技术向产品的转化过程，关注在相应的TRL 时，产品制造对工艺、设备、成本等的相关要求。它着眼于将设计转化为最终产品的制造工艺和制造系统的成熟程度，从制造的视角提供了统一的标准和衡量准则，对制造技术、系统或分系统的成熟度进行评价，系统梳理制造和生产过程中的风险因素，可在项目制造风险识别与管理方面发挥作用。

产品成熟度主要针对航天单机产品，它吸收了TRL和MRL的相关理念，研究产品从立项到生产定型的整个过程，强调从试样（正样）到生产定型之间的反复迭代［5］。产品成熟度是TRL 和MRL 的综合集成，但注重产品重复生产使用和定型改进。TRL和MRL相对来说对设计和制造更具针对性，对研制的早期阶段也给予了较多的关注，也适用于对预研项目成熟度的评估。产品的成熟离不开技术的成熟和制造的成熟，或者说只有当技术成熟和制造成熟到一定程度才有产品的成熟。

3 美国MRL在我国航天的应用价值和局限性分析

1）我国航天的制造特点和面临的挑战

我国航天制造从生产批量方面可以分为两类：第一类是以单件或小批量生产为主的制造，例如战略武器、运载火箭、卫星、飞船和探测器；第二类是以形成批量生产能力为主要特点的制造，例如战术武器。制造特点也可以分为两类：一类是以制造难度大为主要特点；另一类是以批生产难度大为主要特点。

我国航天工业在制造能力建设方面已经取得了一定的成就，但是航天制造仍然面临一些挑战，主要有3个方面：①产品能否制造出来的挑战，即采用已有或新的制造技术、工艺和设备，能否制造出性能稳定的产品；②产品能否实现批产的挑战，即对有批产能力要求的产品，能否建立起现代化的生产线，更好地满足批生产的要求；③如何促进和监督制造技术成熟的挑战，尤其是缺乏对制造技术的成熟状态进行评价、分级和监督的方法。

2）MRL在我国航天的应用价值

MRL 可以发挥两个方面的作用：一是通过MRL评价可以促进航天制造能力提升，帮助工程研制队伍和管理部门更加客观、量化地掌握制造能力发展情况，找出制造能力的短板和制约制造能力提升的瓶颈，通过制定制造成熟计划，促进问题解决，加速制造能力提升，为航天制造能力提升机制建设提供帮助；二是通过MRL 评价可以加强航天工程的制造风险管理，可以更系统、更规范化、更量化地检查和评价航天工程在制造技术和制造能力方面已经具备的基础、存在的问题和风险，通过明确预研和工程研制各阶段的准入和准出的MRL 等级要求，实现用“小资金”和“小时间”化解“大预算”和“拖进度”的风险，提高管理效益。

3）直接采用国外MRL方法存在的问题

通过前文分析可知，美国国防部的MRL 方法主要关注以形成批生产能力为特点的制造。美国NASA主要关注能否制造出单件、小批量产品的技术能力，采用TRL进行评价。我国航天产品的类型跨度大，兼有以上两种制造的特点。如果直接采用美国国防部的MRL对制造技术进行评价，对于单件、小批量生产、制造难度大为主的制造类型不能直接适用。如果直接采用TRL对制造技术进行评价，不能突出制造成熟的特点。因此，需要结合我国航天制造的特点进行创新，构建相应的航天MRL方法。

4 构建我国航天MRL方法

基于对美国国防部的MRL 方法及其适用性分析，融合NASA 采用的TRL方法，面向我国航天工程构建MRL方法，主要介绍航天MRL等级定义和各级MRL评价检查单。

4.1 航天MRL等级定义及有关术语解释

航天MRL定义如表3所示。涵盖了研制和批生产两个阶段。在研制阶段，MRL重点关注能否制造出性能稳定的产品，同时逐步考虑将来批生产的问题；在批生产阶段，MRL重点关注生产能力是否满足要求，同时也解决研制阶段对制造认识不足的问题。

表3 航天MRL等级定义Table 3 Definitions of MRLs for Chinese space industry

4.2 MRL评价检查单

MRL评价检查单，是用于对制造对象具体开展MRL评价的规范检查单，依据MRL各级定义、内涵和要求制定，是确定制造对象成熟度等级的准则和依据，它的检查项囊括了各级实现制造成熟目标所需完成的基本任务。检查单具有通用性，不针对被评价的具体关键制造技术，但它是制定具体被评价关键制造技术评价细则的基础。例如，MRL 3级的评价检查单见表4。

表4 MRL3级评价检查单Table 4 Assessment checklist for MRL 3

5 我国航天开展MRL研究和应用的建议

完善我国航天MRL 方法并发挥实际作用，需要一个循序渐进的过程。本文在此介绍我国航天开展MRL研究和应用的建议。

1）继续完善航天MRL评价方法

美国从开始研究成熟度方法到首次出版《制造成熟度手册》［2］，历时6年。MRL 方法是一套针对制造风险和制造能力的系统管理方法。纵向看，它贯穿了从产生制造需求到形成批产能力的制造成熟全过程；横向看，它包括了从基础设施、工艺方法、材料与设备供应到质量控制和成本管理等各个制造成熟相关领域。一方面，结合我国航天制造特征，对MRL过程进行量化分级并辐射到各个相关制造领域，是一项复杂的系统工程；另一方面，制定有效的应用模式和流程，对完善与推广成熟度方法的应用有重要作用。因此，有必要在吸收国外研究的基础上，结合实际，进一步梳理包括制造要素在内的级别特征，研究各级MRL 评价检查单等，完善航天MRL的量化评价方法，使之科学有效。

2）研究制定我国航天MRL评价规范

美国的《制造成熟度手册》已经出版并持续修订更新多次，对MRL方法的完善、推广与应用起到了重要作用。MRL作为一种通用的制造能力量化分级标准，必须具备一定的统一性，才能用于制造信息沟通，发挥不同制造对象间的级别对比作用。有必要通过学习、借鉴和融合美国国防部和NASA 的成熟度方法，根据不同产品的制造和批产特点，突出制造成熟的特征，形成统一的、适用我国航天的MRL方法和规范。

3）结合重大航天工程开展MRL应用试点

理论结合实践，才能得到检验与提升。在初步具备MRL方法之后，结合重大航天工程开展MRL应用试点，一方面检验其作用，另一方面根据实际工作中发现的问题，对其进行优化与完善，确保该方法能够真正为工程管理、技术管理、风险管理提供支撑。建议选取MRL 评价试点的原则：一是制造难度大；二是生产能力急需提升；三是覆盖复合材料结构、金属材料结构、光机电一体化、电子元器件等主要制造类型。

4）逐步建立起MRL评价和提升机制

在航天产品和重大工程中，开展对关键制造技术（含批产能力）的分析与识别工作。提出型号和重大工程主要研发阶段关键制造技术的成熟度要求，作为转阶段的重要条件之一，并在转阶段时进行MRL评价。在评价基础上，确定成熟度发展目标，制定制造成熟计划，逐步建立完善的成熟度提升机制，加速航天制造能力提升。

6 结束语

TRL 和MRL 评价方法具有重要的应用价值［6］，有助于应对航天工程面临的两大风险，促进国家科技计划项目管理［7］，是航天系统工程在理论方法上的新拓展与应用。目前，通过总结国外经验，支撑相关单位在重大专项工程中探索基于MRL 的研制管理方法研究和应用，已经取得了一定成果，积累了部分经验，但推动我国航天工程实施成熟度管理并形成最佳实践还具有很大的探索空间。

（References）

［1］吴燕生.技术成熟度及其评价方法［M］.北京：国防工业出版社，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］袁家军.航天产品工程［M］.北京：中国宇航出版社，2011 Yuan Jiajun.Space product engineering［M］.Beijing：China Astronautic Press，2011（in Chinese）

［6］袁家军.航天产品成熟度研究［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］陈华雄，欧阳进良，毛建军.技术成熟度评价在国家科技计划项目管理中的应用探讨［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）