航天重大科技工程研制管理实践

阎 君，张志强，方建平，李 亮

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

航天某重大科技工程是从概念出发的原创性项目，探索性强、风险性高，面临技术深度不确定、管理高度复杂和研制时间窗口期极为有限等多重挑战，是公认的世界性难题。技术层面的深度不确定性表现在：领域认知不充分、基础理论不成熟、关键技术存在空白、设计方法尚缺乏、核心材料仍欠缺、保障条件不健全；管理层面的高度复杂性表现在：工程需将管理特征迥异的基础理论研究、关键技术攻关、飞行演示验证和保障条件建设4 条任务主线（以下简称4 条任务线）高度融合、一体推动，传统上尚无先例。

研制团队以“国家的、科技的、以工程为背景的”为指导思想，积极应对科学原理突破、攻关路线选择、多任务线研制策略确定等工程管理问题，继承和发展航天系统工程理论，面对管理特征迥异的4 条任务线，确定了“一体统筹和分类精准管理多任务主线，以并行研制支持多路径探索从而提高研制效率，以全程评估支持分段决策从而有效辨识和化解风险”的管理策略，全面、高效、快速推进工程研制，有效化解工程面临的各种风险，为完成工程目标奠定了坚实基础。

1 研制管理实践

1.1 一体统筹，部署4 条任务线相辅相成、协同推进

1.1.1 澄清逻辑关系，确定某工程研制管理的总体思路

该工程集探索、预先研究和工程研制为一体，4条任务线相辅相成、有机融合、有效衔接，其逻辑关系为：关键技术攻关是研制的核心，基础理论研究为关键技术攻关提供原理支撑、指引攻关探索方向，攻关过程中如果发现模型不准、需要补充认知时，需反馈到理论研究任务线，推动理论成果的修正和完善；地面和飞行试验为关键技术攻关提供验证手段，关键技术攻关则为演示验证中的技术难点提供解决方案；关键技术先经地面集成演示验证，成功后再经真实飞行环境进行演示验证，同时反馈支撑基础理论的完善和关键技术成熟度的提升，最终完成技术的全面突破，持续夯实领域的技术基础，逐渐完成领域知识体系的构建。保障条件建设需同步形成能力，为基础研究、技术攻关和试验验证提供支撑。根据4 条任务线并行创新探索的需要，将研制管理总体思路确定为“三准则一策略”，即：

a）面临高度复杂性，遵循“复杂性降解”准则，通过在思维层面建立工程要素属性及关联的逻辑体系，“降低”和“分解”工程的固有复杂性，从而获得认知启发，把握科学与工程规律；

b）面临深度不确定性，遵循“适应性选择”准则，通过动态应变来不断探索和验证工程解决方案；

c）面对多任务线的差异化管理需求，遵循“多尺度管理”准则，在对问题做出整体性把握的基础上，实行精细化、针对性管理，回应工程管理的现实需求；

d）面对高难度、目标难以一次达成的技术攻关任务，遵循“迭代式生成”策略，把问题的整体复杂性分解到方案生成过程中的多个阶段，每个阶段只应对整体复杂性的一部分，并通过多次适应性迭代形成方案序列，逐渐逼近最终方案。

1.1.2 一体部署研制管理实施策略，制定总体与分阶段目标

基于上述管理思路，对各任务线活动及所涉及要素的管理特征加以识别，确定的研制管理策略为“一体统筹、分段迭代、异步并行、分类精准”，即：一体统筹全面规划和制定实施方案，相辅相成，协同推进4条任务线；以全程评估和分段决策支持迭代式生成最优方案，“边探索、边研究、边验证、边研制，总体渐进、局部螺旋”地迭代式推进，确保工程能够动态应变和稳步推进；全面践行异步并行理念，并行开展多任务线的相关研制活动，以化解路线选择和进度风险；针对各任务线存在显著差异的独特管理需求，为了控制风险和强化评估，分类精准、差异化管理各任务线上的研制活动。

为了配合研制管理策略的落地实施，立项之初，以全面突破关键技术、具备背景型号立项条件为目的制定总目标，围绕总目标制定全寿命周期实施方案，全面规划和一体部署4 条任务线的实施路线。

将工程整个研制周期划分为年限不等的3 个研制阶段，立足研制条件和技术水平，将总规划目标分解为环环相扣、层层递进的阶段性目标。将工程全寿命周期划分为“打牢基础、攻关集成和飞行验证”3 个阶段，围绕工程总目标，设定3 个阶段的分目标（见表1）分别为：a）“打牢基础”阶段，建立领域基础理论体系，明确各系统关键技术攻关目标和方案，确定飞行试验总体规划，开展设计仿真和急需保障条件建设；b）“攻关集成”阶段完成基础理论应用研究、单项关键技术攻关突破并经地面集成试验验证（部分核心关键技术经过若干飞行试验验证）、关键技术收敛并具备开展集成飞行试验条件，同时完成设计、制造和试验能力体系建设；c）“飞行验证”阶段，将所有经地面试验验证的关键技术按工程条件开展产品研制，完成真实集成飞行试验考核，并完成补充能力建设，为量产奠定基础。

表1 某工程的总体目标和分阶段实施规划Tab.1 Overall Goal and Phased Implementation Plan of a Project

以全面的基础理论研究成果促进关键技术突破，以飞行试验验证单项关键技术突破，以单项关键技术突破支撑飞行演示验证，以飞行演示验证全面考核关键技术，经过3 个阶段的扎实攻关，一步一个脚印地稳步推进，为工程转入型号研制奠定坚实基础。

1.2 以分段迭代扎实推进攻关进程，以分段试验提高验证效能

1.2.1 以分段迭代各个击破攻关难题，扎实推进化解实施风险

工程需要在目标、路径和结果未知的情况下开展科学探索和技术攻关，待突破的关键技术多，为化解工程实施风险，依据“复杂性降解”准则，需要开展分阶段决策、迭代式探索最优方案。

在基础理论研究任务线，集国家优势力量、开放创新，从概念原理探索起步，按照原理探索→完善理论→深化理论的迭代路线，逐步深入、形成科学认知，为关键技术攻关提供方向，并经关键技术攻关逐步验证，通过多轮迭代、回归，推动理论的不断深化。

在关键技术攻关任务线，通过迭代的螺旋上升过程，按单项技术攻关→地面集成演示验证→飞行试验验证的迭代路线，在采用多方案并举的同时，在工程的第1、第2 研制阶段末设置决策点，对单项技术、产品、制造和系统等实施多层次、多维度、全过程的成熟度评估，依据技术成熟度评估提供的量化依据，对各任务线在各阶段的任务完成情况加以评估，结合对后续工作的预判分析，多方案迭代，动态调整下一阶段的规划目标和筛选下一阶段的技术路线，以分阶段决策实现工程方案的逐步聚焦、工程难题的各个击破。

在飞行试验验证任务线，按照研究性飞行试验→集成飞行试验两步开展。在第2 阶段中后期部分单项关键技术取得突破时，按照先行先试原则，采用成熟的试验平台对关键技术进行研究性飞行试验验证，待第2 阶段结束，全部关键技术取得突破、关键核心技术经研究性飞行试验验证后，将全部关键技术集成，瞄准最终使用性能目标，开展集成飞行试验验证。这样，既可以化解关键技术一次集成飞行的重大风险，又能够促进领域技术的递进迭代突破，为后续工程化研制奠定扎实基础。

1.2.2 以分段试验求证全程，摸边探底、回归迭代提高验证效能

工程待验证的试验项目数量多、状态多，且飞行产品的生产周期长、飞行试验的窗口期短，必须大幅度提高验证效能才能达成工程目标，必须革新验证理念，才能突破飞行试验验证的条件限制。

为此，工程引入“研究性飞行试验”验证新理念，改变将固化产品和型号的技术状态、推进定型批产作为飞行试验验证目标的传统做法，将验证关键技术突破作为飞行试验的核心任务，以关键技术突破牵引试验验证，利用有限的飞行产品，探索和验证更多的专业特性及关键技术，为完成总体方案闭合提供支撑，并在确保做到“控制风险保成功”的同时，努力实现“摸边探底触极限”，提升飞行试验的验证效能。

工程引入“分段验证、求证全程”的验证理念，在工程研制的不同阶段采取差异化的验证策略，以解决客观条件对考核的限制难题。将整体考核目标分解为飞行初段、中段和末段3 个目标，将飞行试验剖面进行相应划分和设计，再按照“一体化分步推进”策略设计飞行试验方案，在集成飞行演示验证之前，先开展“研究性飞行试验”来认识领域环境、解决地面试验无法验证或无条件验证的关键技术，为各项地面集成演示验证试验提供较准确的环境条件依据；再结合仿真分析，对无法在飞行试验中得到考核的关键技术，综合集成飞行演示验证和地面加严考核试验等结果，做出是否满足总体方案闭合的相关结论。

在飞行试验开展初期，将完整飞行作为验证目标，赋予任务团队宽松的环境；在飞行试验后期，将识别问题、摸清设计边界、掌握设计裕度作为验证目标，通过增加“探索飞行段”，在完成飞行试验的“规定动作”、飞行试验判据“圆满成功”后，设计新的飞行动作，以有效利用有限的飞行试验子样，大胆验证飞行方案参数裕度和产品性能余量，探索验证更多专业特性和关键技术，回归修正理论和设计模型，直接提高工程设计水平，并为制定后续飞行试验方案提供依据。采用这种回归迭代、层层递进的策略，为全程考核奠定坚实基础，化解全程考核的巨大技术和管理风险。

1.3 全面践行异步并行理念，高效推进工程研制进程

1.3.1 贯通基础理论到工程研制的创新链，异步并行推进四条任务线

基于对四条任务线逻辑关系的认知，突破“沿创新链依次开展理论研究、技术攻关和试验验证”的传统研制路径，提出异步并行、协同推进基础理论研究、关键技术攻关、飞行试验验证和保障条件建设四条任务线（见图1），快速打通理论研究到工程乃至型号研制的创新链条，将20～30 年的传统串行研制周期缩短为10年左右，推动中国快速占领该领域的科技制高点。

图1 四条任务线并行协同推进Fig.1 Four Task Lines Advance in Parallel

a）第1 阶段理论先行，以厘清领域科学和理论问题为目标，联合全国优势力量，专业覆盖全面地开展理论研究，探索关键技术攻关的方向；随着攻关和理论研究深入；第2 阶段以理论应用为目标，在深化基础理论研究的同时，通过关键技术攻关和飞行试验开展理论验证；第3 阶段进一步聚焦，在经过第2 阶段研究和验证基础上完善理论和模型，实现理论研究的回归迭代。3 个阶段中，基础理论研究任务线是一个逐渐聚焦、收敛和深化的过程。

b）关键技术攻关是工程研制的核心，3 个阶段按照制定攻关方案→多路线单项技术攻关→地面集成演示验证→飞行试验验证的顺序开展，各系统技术方案从不确定到确定、技术成熟度从低到高逐步进阶，集成范围和规模逐步从小到大，多攻关方案逐渐收敛，通过一系列地面关键技术集成试验，实现关键技术突破和成熟度进阶。

c）飞行试验验证是关键技术的验证手段，基于成熟度评估，随着基础理论和关键技术成熟度的逐渐提升，对达到一定成熟度标准的技术通过研究性飞行试验进行验证，并逐渐扩展研究性飞行试验所囊括和验证的技术范围，最终在所有关键技术取得地面集成试验成功、核心关键技术通过研究性飞行试验验证的基础上，集成工程的所有关键技术，通过真实环境下的系列集成飞行试验的全面考核，实现关键技术全面突破、工程目标全部达成。

d）保障条件建设是工程实施的能力基础，改变“先审批后建设”的传统做法，通过“统筹规划、急需先行、分步实现”，确保保障条件建设与其余三条研制任务线进度相匹配，最大限度地满足研制需要。

1.3.2 优化流程、革新理念，高效开展技术攻关和试验验证

传统上，航天型号采取串行流程开展研制活动，在前一阶段的研制任务完成后才进入下一个研制阶段。为在有限的时间窗口期内开展创新度极高的前沿性探索，工程瞄准最终研制与飞行考核目标，采用并行工程方法对传统研制流程加以优化，将初样和试样阶段合并为工程研制阶段，同步开展研究性飞行试验促进和加快关键技术突破。同时，采用异步并行研制理念，根据各项关键技术的成熟度等级差异，异步开展关键技术的研究性飞行试验验证，先成熟先验证、直到全部关键技术完成集成飞行试验，从而大幅度提高关键技术攻关和试验验证的效率，形成了基于异步并行的研制流程，其要点包括：

a）异步并行开展不同成熟度等级的各分系统（单机）研制。量化评估各单机和分系统所依托关键技术的成熟度等级，对成熟度等级较高的单机和分系统，跨越方案阶段直接从工程阶段开展相关研制工作，将节约的时间用于提前开展更高等级技术的突破，以降低研制风险和节约研制经费。

b）并行产品投产。在方案研制后期、转段前，依据技术、产品成熟等级分类开展研制阶段工作和试验产品备料、投产。在整个研制过程中，全面实施IPT的产品集成开发，对系统、单机、部段结合制造工艺并行开展详细设计，在方案阶段及早暴露设计问题，提前确定产品的元器件和原材料选用方案；完成技术审查后，提前开展飞行产品的元器件和原材料采购、备料和投产；方案转段完成后，在对设计进行确认的基础上，快速将产品的数字化设计模型以及相关要求下达给生产单位开展生产，从而大幅节约研制周期。

c）并行、组拼开展大型试验。改变传统的基于串行研制流程的管理模式，在工程研制试验尚在进行中即并行投产飞行试验产品。将大型试验中耗时最久、参与系统最多的两整发产品试验，作为大型地面试验的两条主研制线；在两整发产品的包络时间内，依据试验大纲和试验方案，对其余产品按照“一品多试、一试多效”的原则开展试验，以缩短大型地面试验周期、减少配套产品当量，从而减少资源冲突、节约成本和避免产品进度拖延，确保大型地面试验按时完成。

1.4 基于全程成熟度评估，实施分类精准管理

1.4.1 拓宽成熟度评估作用域，构建四维一体成熟度评估体系

成熟度评估是一种应用广泛、行之有效的风险管理工具。为解决决策问题、化解研制风险，工程拓宽成熟度评估的作用域，构建技术成熟度、制造成熟度、产品成熟度和系统成熟度四维一体的多层次全过程成熟度评估体系，对传统的成熟度评估理念加以拓展，改变依据成熟度评估结果事后检查技术攻关的阶段性或整体目标实现程度的通行做法，将成熟度评估的作用域从事后确认，拓展为事先策划和全程监测，包括：有效识别某项关键技术的初始等级水平、确定后续攻关的问题与风险，确定技术等级提升的工作内容和技术路线，为攻关策划和分段决策、过程检查和改进、调整提供量化依据和手段（见图2）。

图2 四维一体的多层次、全过程成熟度评估体系Fig.2 Four Dimensional Integrated Multi-level and Whole Process Maturity Evaluation System

依据全过程评估理念，工程策划构建具有多层次、多维度特征的成熟度评估体系。系统分析单项关键技术攻关、地面集成演示验证、飞行试验验证等活动中的技术风险控制重点及难点，确定技术攻关过程中的大型试验与技术成熟等级的映射关系，设置若干技术状态基线的确认节点，作为成熟度评估的实施点；设定六级成熟度标准，规定：一旦某项技术在某个节点的评估中达到五级成熟度水平，即可部署对该项技术开展飞行验证。在每个确认节点上，将评估结果与事前策划时确定的攻关工作要求进行比较，明确进展情况和存在的差距，为制定关键决策和精准管理措施提供量化依据。

1.4.2 基于成熟度评估，对核心任务线实施分类精准管理

基于成熟度评估，对基础理论研究逐步收敛聚焦。在工程实施伊始，梳理出若干项科学和基础理论问题，全国各大高校和科研院所同步开展研究，针对理论的高度不确定性，部分课题选择若干家同时开展。在第1阶段末期对各课题进行成熟度评估，评估结果分成3类：a）理论的技术成熟度没有提升、对关键技术攻关作用不明显且有替代方案的，直接终止研究；b）理论的技术成熟度有所提升，但未达到直接应用的TRL3级，且工程急需的，安排开展专题研究；c）理论的技术成熟度达到TRL3 级以上，直接转入单项关键技术攻关，并在攻关中进一步验证和修正理论模型，实现基础理论的迭代和螺旋上升。经过逐步聚焦收敛，基础理论研究项目逐步减少、方向不断聚焦，并与关键技术攻关和飞行验证紧密结合。

基于成熟度评估，对关键技术实施“分类差异化”管理。提出技术关键程度概念和识别方法，确定3 级分类和差异化管理准则，将待突破的关键技术划分为重大（A 类）、重点（B 类）和一般（C 类）3 类，确定3 类技术的差异化攻关目标为：重大技术关乎工程总体目标实现，技术指标必须100%严格实现；重点技术影响总体方案闭合，技术指标允许部分调整；一般技术不影响总体方案闭合，技术指标可做适应性微调。

以技术成熟度评估指导单项关键技术的分类和差异化过程管理：通过规范和量化的技术辨识，避免漏选和错选关键技术；通过技术分类，对攻关目标实行量化管理，使攻关工作更聚焦、要求更明确；及时掌握关键技术攻关的进展情况，有效识别技术与制造的薄弱环节和风险点，避免不成熟技术的提前转段；精准把握技术的成熟规律，系统策划、梳理和清晰技术路线，科学合理制定规划，牵引攻关工作的整体协调发展。

技术成熟度评估贯穿关键技术攻关全过程。经评估达到TRL4 的单项关键技术才能具备进入地面集成演示验证条件；先行达到TRL5 的部分关键技术才能安排研究性飞行试验验证验证；第2 阶段结束，对全部关键技术开展评估，全部关键技术达到TRL5 以上，开展集成飞行试验。通过对关键技术的成熟度评估，不断促进关键技术成熟度水平提升，加速了背景型号的立项研制和能力形成，超额完成了工程目标。

基于成熟度评估，对地面和飞行试验实施“分类定制化”管理。将地面试验项目分为两类：考核性试验项目，必须试验通过才能确定方案和技术状态，否则就会面临较大技术风险；验证性试验项目，为提高技术成熟度而安排，即便试验未通过，一般也不会引起方案性颠覆。面向总体方案闭合，通过总体统筹，每发飞行试验均策划目的不同的、分属不同类型的多项试验项目，只要全部考核性试验通过，则立即确定产品的技术状态，并按所确定的状态进行产品备料投产，从而充分利用有限的飞行产品开展验证，并大幅度加快研制进度，确保在最短时间内齐套飞行试验产品、按计划完成验证任务。

2 结束语

某工程紧密回应重大科技创新工程带来的巨大管理挑战和独特管理需求，提出指导重大科技创新工程管理的“三准则一策略”总体思路，形成一套差异化聚焦又一体化并行推进、以分段科学决策达成整体高效的新型工程研制管理模式，突破传统工程型号对成功严苛要求，立足国情、大胆探索，确保前沿理论探索不断深入、关键技术攻关不断推进、产品质量受控、飞行试验成功等多重目标的实现，使中国该领域技术水平迈入世界前列。同时，丰富了航天系统工程理论的实践内涵，为科技创新工程管理提供了重要的实践参考。