航空發動機技術成熟度評價方法研究

李 瑤

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

技術成熟度評價(TRA)是美國國防部和NASA在國防采辦和科研管理中廣泛采用的一種評估工具，也是產品開發和技術研究承擔機構作為技術評估的手段。通過TRA能夠有效控制產品發展和系統采辦的風險。

技術成熟度(TR)是指技術相對于某個具體系統或項目來說所處的發展狀態，它反映了技術對于項目預期目標的滿足程度。任何一項技術都必然有一個發展和驗證的過程。在技術成熟度評價體系中往往根據技術達到的成熟水平分成不同的等級。技術成熟度等級(TRL)是指對技術成熟程度進行量度和評測的一種標準，將技術從萌芽狀態到成功應用于系統的整個過程劃分為幾個階段，為管理層和科研單位提供了一種統一的標準化通用語言。技術成熟度評價方法是采用TRL對技術的成熟度進行評價的一套方法、流程和程序，它是采用TRL和一個系統化的實施程序來完成技術成熟度評價報告的一個過程。

20世紀80年代，美國NASA將技術成熟度用于評估技術發展的風險，最初將技術成熟度分為7級，主要應用于航天技術領域。1995年，NASA航天評估和技術辦公室發表白皮書，將技術成熟度評估納入NASA管理指南，用于評估特定技術的成熟度，以判斷不同技術對同一項目目標的滿足程度，并將TRL分成9級。1999年，美國國防部引入類似的TRL概念，并在2001年正式確定在新項目中采用TRL管理。

航空發動機作為技術高度復雜的綜合集成系統，其研制存在很大的風險，其中新技術應用所帶來的風險可能導致項目進度滯后、研制成本增加甚至項目失敗。但是為了使發動機產品提升性能和可靠性，又必須采用新技術，因而風險控制就非常關鍵。技術成熟度評價是降低研制風險的有效途徑，在國外航空發動機研制、技術發展過程中已得到廣泛應用。本文介紹了美國國防部技術成熟度評價方法和國外航空發動機技術成熟度評價的現狀，提出了我國開展航空發動機技術成熟度評價的設想和初步的評價方法。

2 美國國防部的技術成熟度評價方法

美國國防部規定在所有的項目采辦中強制實施TRA，其TRL評價方法來源于NASA在項目評審中采用的方法。

2.1 技術成熟度評價流程

TRA的評價流程包括識別關鍵技術元素(CTE)和評價CTE的成熟度兩個大的階段。

(1)識別CTE

CTE的識別是TRA的基礎，由項目經理總負責。判斷CTE的原則是：一種全新或新穎的技術元素，或者被以全新或新穎的方式使用的技術元素，對實現系統成功開發、系統采辦，或對作戰實用性所必需的，這種技術元素就是CTE。

CTE的識別分為兩個階段，第一階段由項目經理根據項目工作分解結構(WBS)提出候選的CTE清單，第二階段由一個獨立小組確定最終的CTE。確定候選技術是否是CTE，必須回答以下8個問題：

①該技術是否直接影響作戰需求？

②該技術是否對改進交付進度有顯著影響？

③該技術是否對系統的成本有顯著影響？

④如果是一種螺旋發展，該技術對于滿足交付是不是基本技術？

⑤該技術是否是新技術？

⑥該技術是否經過修改？

⑦該技術是否被用于滿足新的環境要求？

⑧該技術是否可在一個環境中工作，實現超過其原先設計意圖的性能和/或被驗證的能力？

某項技術要成為CTE，前4個問題的答案必須是“是”，后4個問題必須有至少一個問題的答案是“是”。

(2)評價CTE的成熟度

在確定系統的CTE后，成立一個獨立小組來負責評價其成熟度。首先對獨立小組成員進行培訓，培訓內容包括對系統的全面介紹、TRA流程、識別CTE的準則及TRL評估實例。

對所有CTE做出TRA后，獨立小組須提交TRA評價報告。TRA報告由項目承擔單位負責技術的官員批準，同時由承擔單位負責采辦的官員簽署。在TRA報告的結論中，必須陳述負責技術的官員對TRA的意見，說明該系統的成熟度是否滿足進入下一階段研發的要求，如果某些CTE的技術成熟度低于規定的等級，技術官員可以給出支持其進入下一階段的意見，但必須說明原因并提交每個不滿足要求的CTE的技術發展計劃。

2.2 技術成熟度等級

美國國防部的評估標準與NASA的標準基本相同，均將技術成熟度分為9級等級，并明確了每一等級的定義和標準。但它們也存在一定的差別，如NASA規定在系統飛行之前技術必須達到6級，而國防部規定技術必須達到7級才能進入武器系統。對硬件、軟件和制造技術分別進行了成熟度等級定義，以下是對硬件的TRL定義。

TRL1：基本原理被發現和被報告。科學理論開始轉向應用研究。

TRL2：技術概念和用途被闡明。理論是推測性的，尚未經過詳細分析和驗證。

TRL3：關鍵功能和特性的概念驗證。開始應用研究，開展實驗室研究，硬件包括未集成的部件。

TRL4：實驗室環境下的基礎部件/原理樣機驗證。與最終系統采用的部件相比，部件“保真度”較低。

TRL5：相關環境下的部件/原理樣機驗證。部件試驗環境達到“高保真度”。

TRL6：相關環境下的系統/子系統模型或樣機驗證。系統在“高保真度”的實驗室環境或仿真的作戰環境下進行試驗。

TRL7：模擬使用環境下的原型機驗證。原型機在模擬作戰環境下驗證。

TRL8：系統完成技術試驗和驗證。系統研制階段結束。

TRL9：系統完成使用驗證。系統以其最終的形式在作戰試驗中得到驗證。

3 國外航空發動機技術成熟度評價介紹

技術成熟度評價在美國的航空發動機研制及其技術研究中得到廣泛應用，美國國防部在航空發動機采辦中要進行技術成熟度評價。NASA作為世界上最先應用技術成熟度的機構，在航空發動機技術研究項目上同樣采用TRL作為重要的管理工具。

3.1 NASA航空發動機技術研究項目的技術成熟度評價

上世紀90年代，NASA聯合工業部門開展了先進亞聲速技術(AST)推進系統項目，目標是為使未來推進系統提高環境適應性提供技術儲備，這些技術的技術成熟度要求達到TRL6。其中NOx排放比1996 ICAO的標準低50%。AST計劃研究和驗證的技術范圍為TRL2至TRL6。NASA與P&W研究中，低污染燃燒室技術分以下四步達到要求的TRL6：

(1)頭部概念驗證，技術達到TRL3，1994-1995年度完成驗證，測量的NOx排放降低50%～70%；

(2)在扇形燃燒室上驗證，技術達到TRL4，1996-1997年度完成驗證，測量的NOx排放降低64%；

(3)在全環燃燒室上驗證，技術成熟度達到TRL5，1997-1998年度完成驗證，測量的NOx排放降低55%～58%；

(4)在發動機上驗證，技術成熟度達到TRL6，驗證平臺為PW4000發動機，1999年完成驗證，測量的NOx排放降低50%～52%。

從上面可以看出，作為未來先進的民用航空發動機的一項CTE，低污染燃燒室技術完成重要的頭部試驗驗證并達到預定的排放指標，由于頭部性能是控制排放的關鍵，故可以認為完成了關鍵功能和特性的概念驗證，達到TRL3；在完成扇形試驗件驗證后，技術達到TRL4，按照評價標準，TRL4要求達到實驗室環境下的基礎部件/原理樣機驗證，通過這一實例了解了基礎部件的基本含義，此時可認為部件“保真度”較低。而全尺寸、真實環境的部件驗證是達到TRL5的前提；在發動機上完成驗證，意味著達到TRL6，這是一般預研項目要求達到的最高等級，也表明這項技術可以應用于工程發展階段，也就是常說的型號階段。在AST項目中驗證并達到TRL6后，低污染燃燒室技術在型號產品上得到了很好的應用。

3.2 P&W公司的技術成熟度評價

作為世界三大航空發動機研發的巨頭之一，P&W公司特別重視技術成熟度的評價和管理，公司制定了航空發動機技術成熟度評價標準，在產品研制和技術研究中把TRA作為降低技術風險的重要手段。

P&W和MTU聯合實施了 “聯合技術驗證機項目”(JTDP)，目的是驗證先進技術以支持下一代發動機產品發展。JTDP項目中采用技術成熟度管理，JTDP第一個驗證項目是6級高壓壓氣機，MTU在EJ200發動機5級高壓壓氣機的基礎上，利用E3E計劃發展了一臺6級高壓壓氣機，并于1997年進行了試驗驗證(達到TRL4)。之后，按照PW6000發動機的要求進行了改進，完成了HDV12壓氣機設計，并在MTU的高溫進氣壓氣機試驗臺上進行了試驗，獲得成功(達到TRL5)。P&W和MTU決定將該壓氣機應用于PW6000發動機，并在P&W公司的高空臺上對裝在PW6000驗證機(JTDP01)上的HDV12壓氣機進行了試驗，驗證了最大巡航狀態(低雷諾數條件)和熱天起飛狀態、冷天起動狀態等的性能，使6級高壓壓氣機技術達到TRL6，具備在產品研制中應用的條件。通過每一步嚴格的工作和TRL評價，使該壓氣機部件在較短時間內逐步成熟，解決了困擾PW6000發動機的最大技術瓶頸。

TRL6是P&W公司最重視的一個成熟度等級，因為只有達到TRL6，技術才能在工程發展階段得到應用。P&W公司對TRL6的定義是：

(1)建立了流程和設計準則；

(2)在設計環境下完成了系統級試驗驗證；

(3)設計工具在產品應用范圍內得到定義和鑒定；

(4)建立了產品制造工藝和供應鏈；

(5)相關的支撐能力確定。

在型號研制中允許有部分技術未達到TRL6，但需要開展專門的技術攻關。

4 航空發動機技術成熟度評價方法探討

由于新型航空發動機研制一般都面臨巨大的技術風險，作為風險管理的一個重要手段，將TRA引入國內航空發動機預先研究和型號研制將是必然趨勢。TRA不但是用戶訂貨和管理的需要，更重要的是項目研究團隊自身控制技術風險的需要。

4.1 航空發動機技術成熟度分級定義

參考NASA和美國國防部的TRL等級定義，我國同樣可以將航空發動機技術成熟度分為9個等級。結合航空發動機自身的特點，等級定義如下：

TRL1：基本原理提出和發現；

TRL2：技術應用研究；

TRL3：完成概念驗證，如葉柵試驗、燃燒室頭部試驗等；

TRL4：完成模擬部件試驗，如壓氣機性能試驗，燃燒室扇形試驗；

TRL5：完成部件/核心機試驗，指全尺寸、全狀態部件試驗；

TRL6：完成系統水平驗證，驗證機試驗，包括驗證機高空臺試驗；

TRL7：完成飛行試驗驗證；

TRL8：發動機定型/取證；

TRL9：完成使用驗證。

以上只是對各等級進行了定義，每一等級還需制定詳細的標準和要求，特別是在完成規定的驗證的同時，要對設計工具與規范、制造水平、特定技術的驗證等做出規定。

4.2 航空發動機關鍵技術元素

不同項目具有不同的CTE。首先，CTE有不同的級別，對于航空發動機整機技術，或部件技術，或單項技術，CTE識別是不同的；同樣，對于航空發動機整機，不同項目由于采用的技術差異，CTE也會存在一定的差異。

以類似于F119發動機的第四代飛機動力為例，提取的CTE可包括以下12項：總體性能、總體結構、風扇、高壓壓氣機、主燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、加力燃燒室、矢量噴管、控制系統、隱身技術和其它系統。

將12項CTE進一步分解，可以得到數百乃至上千個子技術元素，在子技術元素中，第四代發動機的先進技術會得到充分體現，如總體性能技術中包括不加力超聲速巡航性能，風扇技術中包括空心風扇葉片技術，高壓壓氣機中包括三維氣動設計技術，高壓渦輪中包括單晶氣冷葉片技術等。

4.3 航空發動機技術成熟度模擬評價

下面以上節中確定的CTE高壓壓氣機為例，對其做初步的技術成熟度評價。假設開展高壓壓氣機技術研究，項目名稱為HPC01，目標是該壓氣機在發動機上得到技術驗證，達到TRL6。

第一步，將高壓壓氣機部件技術分解出關鍵子技術，包括以下9項：三維氣動設計、氣動穩定性、整體葉盤、高溫鈦合金轉子、防鈦火、間隙控制、靜子葉片調節、強度壽命和維修性。

第二步，進行技術成熟度評價，評價工作必須收集大量證據，根據制定的評價標準進行評估。本文的評估在一個虛擬項目下進行，因而只給出評價結論。假定該項目完成了部件性能試驗，以及主要零部件的強度試驗，尚未在發動機上驗證。

三維氣動設計：該技術在之前的多個風扇、壓氣機上得到應用，并在現役發動機上應用，HPC01壓氣機已經完成性能試驗，達到設計要求，可以認為達到TRL5。

氣動穩定性：該技術在多個發動機上得到驗證，HPC01壓氣機已經進行進口流場畸變試驗，達到設計要求，可以認為達到TRL5。

整體葉盤：整體葉盤隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但離心負荷和溫度負荷均未達到設計要求；葉盤經過超轉試驗考核，性能試驗中安排了葉片動應力測量。可以認為達到TRL4。

高溫鈦合金轉子：高溫鈦合金轉子隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但離心負荷和溫度負荷均未達到設計要求；轉子經過超轉試驗考核。可以認為達到TRL4。

防鈦火：鈦合金構件隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但未達到著火的環境條件；防鈦火設計技術在其它發動機上得到驗證，結構與HPC01壓氣機類似。可以認為達到TRL3。

間隙控制：間隙設計技術已有規范，且在其它發動機上得到驗證，HPC01壓氣機性能試驗只對間隙進行了初步考核。可以認為達到TRL3。

靜子葉片調節：靜子葉片調節(含調節機構)設計技術已有規范，且在其它發動機上得到驗證，HPC01壓氣機性能試驗對調節系統進行了初步考核。可以認為達到TRL4。

強度壽命：強度壽命設計按規范進行，結構隨HPC01壓氣機進行了性能試驗，工作正常，但離心負荷和溫度負荷均未達到設計要求；主要零部件經過強度試驗考核。可以認為達到TRL3。

維修性：壓氣機根據單元體要求設計，考慮了發動機維修要求；已經進行的裝配分解初步驗證了設計，可以認為達到TRL3。

則綜合評估結果為：HPC01高壓壓氣機完成了部件性能考核，達到設計要求，并進行了主要零部件的性能試驗，部分與性能相關的子技術達到TRL5，主要結構技術達到TRL4，綜合評估HPC01高壓壓氣機達到TRL4。對于只達到TRL3的子技術，提出以下處理措施：

(1)在HPC01高壓壓氣機進入發動機上驗證之前，提出防鈦火設計技術專題研究報告，就試驗安全性提出依據；在配裝該壓氣機的發動機完成主要工作狀態試驗(包括高空臺試驗)后，可以認為達到TRL6。

(2)在HPC01高壓壓氣機進入發動機上驗證之前，在部件試驗上增加間隙測量，完成測量后對間隙設計進行再次評估和修改；在發動機主要工作狀態試驗(包括高空臺試驗)完成后，可以認為達到TRL6。

(3)在HPC01高壓壓氣機進入發動機上驗證之前，提出壓氣機強度壽命專題研究報告，就試驗安全性提出依據；在發動機主要工作狀態試驗(包括高空臺試驗)完成后，可以認為達到TRL6。

(4)維修性未達到TRL4，允許HPC01壓氣機進入下階段在發動機上的考核；在發動機主要工作狀態試驗(包括高空臺試驗)完成后，可以認為達到TRL4。

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