航天制造成熟度评价研究与实践

/中国航天系统科学与工程研究院

我国航天工业进入了新的历史发展时期，先进制造能力和水平是完成高新装备研制和生产的重要基础，是实现我国从航天大国向航天强国迈进的强大动力。面对将我国建设成为航天强国以更好地满足国家战略和经济社会发展要求这一目标，当前我国航天制造面临一些挑战：如能否制造出符合高新装备使用要求的产品；生产能力能否满足装备研制与采购的批生产要求；如何采取有效手段促进制造技术顺利成熟等,这些挑战对航天装备制造管理提出了新的要求。尽管我国已经形成了一系列具有航天特色的传统制造管理方法，但是总体来看航天制造管理尚处于定性管理手段偏多，定量及创新管理手段较少的状态，尤其是缺乏对制造技术和制造能力进行综合评估和监督检查的成熟方法。

制造成熟度评价方法是美国国防部为有效评价制造能力和制造风险而提出的，已在美国得到了广泛运用，值得我国借鉴。但是如果将其与我国航天制造相结合，形成本地化的评价方法并且合理运用从而发挥实效，还有待进一步研究。笔者面向我国航天工程制造风险管理和制造能力提升，通过对国外制造成熟度评价方法进行系统梳理，研究提出了符合我国航天工程的制造成熟度方法体系。在此基础上，结合我国航天工程制造管理流程，提出了一种集评估与提升策划为一体的制造成熟度应用模式。通过开展实证研究，有效验证了笔者提出的评估方法体系和应用模式的可行性和科学性，为航天产品的制造管理提供了重要方法支撑。

一、国内外制造成熟度研究现状

国外十分注重航天装备制造风险管理，采用了多种方法并且持续更新。NASA曾对1960～2000年间50个太空系统的失败原因进行了统计分析，发现生产、制造、工艺等方面出现问题是工程研制中仅次于设计的第二大失败要素。美国问责局认为，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。

在制造风险管理方面，国外通常采用的方法有2种：一是采用技术成熟度对关键制造技术进行评价，以确保制造技术的产品载体通过各种环境下的试验考核，从而满足功能、性能要求；二是在装备研制后期，采用生产就绪评审对制造问题进行管理。然而，无论是技术成熟度评价还是生产就绪评审，在制造风险评估与管理中均存在明显不足，例如技术成熟度可识别技术风险对制造特点体现不足，无法有效识别生产、制造方面的风险，生产就绪评审在装备研制后期实施，无法及时发现早期技术攻关及研制阶段的制造风险。

2001年，美国国防部制定了与技术成熟度相协调互补的制造成熟度评估体系，用于确定装备研制过程中制造技术、工艺、产品的成熟状态，并于2007年发布了第一版《制造成熟度手册》。2008年，美国国防部颁布DODI 5000.02指令，要求在采办项目全周期的关键节点开展制造成熟度评价，并提出了相应的要求，例如在技术开发阶段要求使用样机或原型件来评估制造工艺，在工程与制造阶段要求制造工艺已在试生产环境得到有效验证，在生产与部署阶段要求重大制造风险为零且制造过程可控。

目前，制造成熟度已经成为美国国防部采办项目的强制性程序，成为装备制造技术和能力评估的统一准则和重要手段。2009～2010年，美国国会年拨款超过300万美元用于国防部制造成熟度评估能力建设。空军每年用于MRL/MRA研究和实施的经费超过400万美元，在F135发动机叶片工艺等先期技术验证项目、F-35进气道钻孔等制造技术项目和AIM-120C-7导弹改型、MQ-9“死神”无人机等重大武器采办项目中都已开展了评价并取得了显著成效。除此之外，一些典型国防军工机构，例如波音、洛马、雷神、西科斯基、GE、霍尼韦尔等也都采用制造成熟度方法识别和管理型号研制中的制造风险。

我国一些高等院校以及军工单位也开展了制造成熟度相关研究，侧重于制造成熟度相关情报分析，以及在我国不同装备领域应用的初步探索，但是尚未形成一套科学且经过实践检验的制造成熟度方法与应用体系，特别是如何将制造成熟度与现有装备制造管理体系有效融合从而发挥实效还有待深入研究。

二、我国航天制造成熟度评价方法体系

美国国防部的制造成熟度分为10个级别，主要针对有大批量生产要求的武器装备，考核武器装备研制周期各阶段是否具备相应的制造能力，强调最终实现大批量、全速率生产能力。对于我国航天中具有一定批量要求的导弹武器装备，美国国防部的制造成熟度方法具有一定的适用性，制造成熟的过程和内涵也相似。但是，对于以单件制造为特点的航天型号工程，如战略武器、运载火箭、卫星、飞船等，美国国防部的制造成熟度方法不太适用。因此，需要结合我国航天制造特点，建立一套全面的、适应各类制造特点的航天制造成熟度方法。

表1 航天制造成熟度等级定义划分

1.我国航天制造成熟度等级定义

我国航天制造既包含具有批量生产要求的制造类型，又包括小子样制造类型，因此，笔者研究提出了一种普适的、可裁剪使用的航天制造成熟度定义。在该定义中，一方面关注能否制造出工程要求的、性能稳定的产品（单件制造类产品主要关注的问题），另一方面针对有批量要求的工程，还需关注人、机、料、法、环等制造要素逐步实现批生产能力要求的过程。

对于大批量生产的制造类型，其MRL定义（见表1）包含10个等级。对于单件或小子样制造类型，其MRL定义只包括MRL1-9级，并且MRL8、MRL9级中的关于小批量生产的内容可根据实际制造能力要求进行裁减。

2.制造成熟度评价检查单

制造成熟度等级定义宏观地对航天制造的成熟过程进行了划分，但无法实现制造成熟度的精细化评价。为此，笔者研究提出将基于制造关键要素的制造成熟度评价检查单作为制造成熟度评价的基本工具，研究提出制造成熟度检查单（见表2）。

表2 航天制造成熟度评价检查单

表3 MRL5级评价细则示意

在表2的检查单中，前6条检查项考察的是各制造要素，即人员、设备、材料、工艺、环境、检测等能否满足制造要求，第7条和第8条考察的是制造出的样件的关键功能和性能是否在相应的试验环境中进行了验证，第9条考察的是为了实现最终要求的单件制造或批生产要求，是否在该级别充分考虑了当前制造能力与最终要求的差别，并且制定了相应的风险规避计划。

在实际使用时，还需要根据各检查项进一步细化要求，制定评价细则（见表3），然后根据评价细则的实际完成情况实现精准化评价。

三、制造成熟度在航天工程中的应用案例研究

在研究提出制造成熟度评价方法体系后，如何将制造成熟度方法体系与现有航天制造管理流程融合，避免评价工作脱离管理实际，是笔者关注的另一重点。航天型号工程要求制造成熟度评价能够解决实际问题，能够为工程研制与管理服务，而不是为了评价而评价。因此，在深度调研航天典型制造单位评价需求的基础上，研究提出了一种集评估与提升策划为一体的制造成熟度应用模式，如图1所示。

图1 制造成熟度在航天工程中的应用模式

主要实施步骤为：首先要明确关键制造的目标MRL等级；其次开展制造成熟度评价，识别当前制造的发展状态，评价当前MRL等级；最后针对当前MRL等级与目标MRL等级的差距，开展基于制造成熟度的工作策划，明确各级需要开展的主要工作，制定制造成熟计划。

表4 某航天典型产品MRL5级工作策划表

笔者以航天某典型复合材料产品为例，开展了制造成熟度评价与策划案例研究工作。该复合材料产品是导弹武器的关键部段，其性能优劣影响飞行任务成败，属于小子样制造类型。

案例研究的主要过程如下：

一是航天某工程要求该产品在未来某关键节点达到MRL5级。

二是采用表1中的制造成熟度定义以及相应的评价检查单对该产品的当前等级进行评价。通过自评价和专家评价2个环节，发现该产品当前完成了改进的原理样件的研制（缩比结构件），在实验室中对结构件的力、热性能进行了验证，试验结果符合设计要求，初步完成了关键工艺攻关工作，梳理了主要风险并且制定了技术改进、配套设施建设和设备采购等风险规避计划。因此，当前该产品的制造成熟度等级评价为MRL4级。

三是通过MRL评价发现，当前等级距离要求的MRL5级需要跨越一个级别。策划工作分为2步，首先，对标MRL5级评价检查单，梳理MRL5级工作要求，然后策划从目前状态达到MRL5级需要开展的主要工作（见表4）。

笔者在深度剖析国外制造成熟度对我国航天制造的适用性的基础上，结合我国航天制造类型，提出了一种普适的、可供裁剪使用的制造成熟度等级定义以及基于评价检查单的评价方法。在此基础上，结合我国航天工程开展制造成熟度评价的实际需求，提出了一种评估+策划的一体化应用方法，并且以某航天典型复合材料产品为例进行了应用研究。笔者提出的制造成熟度评估与策划方法一方面可以有效评估当前制造状态，另一方面可以通过策划制定制造成熟计划，为促进工程合理攻关、制造资源整合与制造能力提升提供了一种有力抓手与创新管理手段。