航空材料技術成熟度等級劃分與評價方法研究

摘 要：航空材料技術成熟度對航空產品的研制起著至關重要的作用。文章根據航空材料的技術特點對航空材料技術成熟度等級進行了重定義，分析了材料技術成熟度與產品技術成熟度之間的關系，并使用基于CTE權重的技術成熟度評價方法，以AAA牌號鋼為例進行了技術成熟度模擬評價。

關鍵詞：航空材料；技術成熟度等級；技術成熟度評價

引言

材料是武器裝備的技術基礎和先導，對武器裝備研制成敗具有重大的影響，因此材料的技術成熟度評價無論是對材料本身的研制還是對相關產品開發都十分重要。

任何一項技術都必然有一個產生、發展、成熟的過程，材料也不例外，也遵循相似的演變軌跡。材料技術成熟度是指材料相對于某個具體系統或項目目標所處的發展狀態，以等級的方式來描述材料從萌芽狀態到成功應用的整個過程。

航空武器裝備的工作條件十分復雜，就飛機而言，軍用飛機要求提高機動性、近距格斗和全天候作戰的能力；民用飛機則要求安全性、可靠性、舒適性、經濟性；發動機要求大推比和長壽命發動機；所以，在航空領域，對材料更為苛刻，主要有耐高溫、高比強、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本等，顯而易見，航空材料技術成熟度在一定程度上決定了航空武器裝備的發展。文章就針對航空材料技術成熟度評價方法進行初步探討。

為了便于后續文中使用和追溯理解，首先介紹一下有關基本概念的縮寫和定義：

（1）技術成熟度等級（TRL，Technology Readiness Level）：對技術成熟度進行量度和評測的一種標準。基于事物發展客觀規律，將技術從萌芽狀態到成功應用于某個具體系統或項目的整個過程劃分為若干個階段；為管理層和科研人員提供了標準的通用語言。

（2）技術成熟度評價（TRA，Technology Readiness Assessment）：采用技術成熟度標準，通過一套科學、嚴謹的實施程序評價系統或項目中各項關鍵技術的技術成熟度。

（3）關鍵技術元素（CTE，Central Technology Element）：是指在規定的時間、規定的費用范圍之內為完成項目設定的性能要求和任務，必須依賴的技術。

（4）工作分解結構（WBS，Work Breakdown Structure）是指把項目可交付成果和項目工作分解成較小的、更易于管理的組成部分的過程。

1 航空材料技術成熟度等級的重定義（TRL）

1.1 材料技術成熟度與產品技術成熟度之間的關系

技術成熟度（Technology Maturity）的定義為技術相對于某個具體系統或項目目標所處的發展狀態，因此在評價材料的技術成熟度時，必須明確材料的應用目標才可以涵蓋材料技術成熟度的內涵。

比如，AAA牌號鋼在某型號中同時被用于制造飛行參數記錄儀保護殼體和飛機起落架；顯然，前者的技術成熟度要遠遠高于后者的技術成熟度，但是，制作保護殼體的技術并不能代表真實的AAA牌號鋼技術成熟度水平；因此，科研管理者和技術人員最關心的材料技術成熟度，是指材料制作典型制件、并在典型環境中應用時的技術成熟度。同樣一種材料，用于不同制件，其技術成熟度水平會出現明顯差異，這其中的原因可以從技術成熟度評價方法中找到答案。

此外，航空材料的成熟度與產品的成熟度有著密切的關系，只有實現了材料與產品研發的密切互動，才能協調好技術、投資以及研制周期之間的關系，取得良好的經濟效益及技術效益。材料與航空產品技術成熟度之間的關系見表1。

從表1中可以看出，材料技術的成熟度是航空產品技術成熟度的基礎，材料開發與航空產品開發需要互動、匹配，這樣才能減小研制風險、縮短研制周期、節約研制經費；理想的安排是材料TRL9與航空產品TRL6對應，以便使航空產品的TRL6～TRL9階段的時間間隔縮短。

根據歷史的經驗，如果不以客戶需求為導向，而且材料開發與發動機開發不并行、不互動、兩者的技術成熟度不匹配，那么材料的研制周期將長達10年；反之，如果加強了供需雙方的聯系，材料的研制周期可縮短到2～3年。

1.2 航空材料技術成熟度等級重定義

盡管美國國防部的技術成熟度等級得到廣泛的認同和使用，但對于不同行業、不同背景的項目來說，技術載體、試驗環境、試驗內容都有各自的特殊性，通用的TRL定義往往由于缺乏針對性，而導致對于項目的成熟度描述不夠準確。因此，需要針對航空材料TRL進行重定義（具體化），形成能夠更加準確的體現航空材料技術特點的、針對性和適用性更強的TRL定義。重定義的原則不是推翻通用的TRL定義，而是細化、體現特點，便于評價時理解和評判，航空材料TRL重定義見表2。

航空材料技術成熟度等級的劃分，做到了具體化評價方法、指定驗證環境和技術載體、分步控制風險，是對航空材料技術成熟程度進行度量和評測的一種“標準和尺度”，是技術專家與管理部門溝通采用的“主要語言”。

2 航空材料技術成熟度評價方法

2.1 結合目標識別關鍵技術（CTE確定）

在評價技術成熟度時，核心步驟之一就是通過任務的WBS來篩選、確定CTE，根據不同成熟度等級評價細則對各個關鍵技術元素進行評價，最終利用一定的方法得出材料的技術成熟度。因此CTE對材料的技術成熟度水平起到決定性的作用。

對于AAA牌號鋼來說，將其用于制造起落架時，大直徑棒材制造、超大型鍛件鍛造與預備熱處理、表面防護（超音速火焰噴涂、氧化磷化）等技術都是CTE，目前在國內由于技術儲備、設備等多方面原因都比較難以實現，技術成熟度等級比較低；而用其制造飛行參數記錄儀保護殼體，其CTE則是殼體設計、與橡膠隔熱層的匹配等，這些技術相對成熟許多。因此，材料的關鍵技術及其可實現性不同，導致同一種材料在不同的項目中技術成熟度水平不同。

2.2 CTE影響權值研究

“CTE影響權值”是表征CTE重要性的量化指標，它是一個位于0～1之間的數值，同一個項目中所有影響權值之和為1，其大小表示該技術成熟度因子對整個項目的重要性。CTE影響權值越大，表示對應的CTE對于整個項目的技術成熟度越重要。CTE影響權值取決于其所有CTE的成熟度和風險等級，航空材料TRL可以由關鍵技術元素CTE的TRL、CTE影響權值兩個參數來計算，具體計算公式如下：

航空材料TRL=（CTE的TRLi×權重i）

其中，航空材料TRL是最終想得到的結果；n表示該包括的CTE數目；CTE的TRLi表示第i項CTE的TRL，權重i是指第i個CTE對應的權值。CTE的權重的確定依賴于項目攻關團隊、技術領域專家、技術成熟度管理三方面的人員依據項目實際科研情況進行確定。

2.3 航空材料TRA加權法

評價出各個CTE的TRL后，航空材料技術成熟度究竟處于什么等級還不得而知。加權法是按照各項CTE的重要性，確定它們的權重系數，將CTE的成熟度進行加權，得到航空材料的TRL。

以AAA牌號鋼在起落架中的應用為例，采取TRA加權法進行虛擬評價，評價結果見表3。

直徑大于300mm棒材制造、超大型鍛件鍛造與預備熱處理、表面防護（超音速火焰噴涂、氧化磷化）。

根據各關鍵技術對課題的影響程度，假定確定關鍵技術1～5的權重分別為20%、15%、25%、25%、15%。加權計算后獲得材料的技術成熟度等級：3.4。

加權平均方法適用材料類型：流程長、工序復雜、關鍵技術眾多。對于此類材料需要組建聯合攻關隊伍，對各個關鍵技術元素逐個擊破，只有綜合提高各關鍵技術的成熟度，材料的技術成熟度才會提高。

3 結束語

文章技術成熟度評價加權法只是技術成熟評價方法的一種，具有特定的適用范圍；不同的情況使用不同的評價方法，比如多項技術集成后，技術之間存在兼容和匹配的問題，相互對接會帶來系統層面的不確定和不成熟因素，這個時候需要采用模型對比法，引入綜合成熟度的概念衡量任何兩種由技術成熟度等級評估的技術的集成。

航空材料技術成熟度評價并不是簡單地得到一個等級數字后就束之高閣，更重要的是評價過程本身對項目的指導意義，通過評價能夠明確下一步工作重點、有效降低航空材料及其產品研制的風險。

技術成熟度評價是風險控制手段，也是技術創新的伙伴；技術創新能推動技術成熟度的提升，技術成熟度的提升帶來大量的技術創新。

參考文獻

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