我國運(yùn)載火箭貯箱制造各階段成熟度分析

趙 磊、耿瓊、陳永來 /航天材料及工藝研究所

技術(shù)成熟度是技術(shù)對(duì)于某個(gè)具體系統(tǒng)或項(xiàng)目而言所處的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，反映了技術(shù)對(duì)項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)的滿足程度，是人們?cè)诖罅靠蒲泻凸こ虒?shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)技術(shù)成熟規(guī)律認(rèn)識(shí)的一種總結(jié)。近年來，技術(shù)成熟度相關(guān)研究已在我國航天、航空領(lǐng)域得到應(yīng)用，其作用和價(jià)值得到一定的認(rèn)可。貯箱是運(yùn)載火箭等航天器的重要組成部分，既是傳遞載荷的主要結(jié)構(gòu)之一，又是動(dòng)力系統(tǒng)的部件。當(dāng)前，我國大量未成熟的新工藝在貯箱上推廣應(yīng)用，未開展大型貯箱研制、評(píng)價(jià)、考核等的系統(tǒng)梳理，大大增加了型號(hào)各階段的研制風(fēng)險(xiǎn)。因此。采用技術(shù)成熟度方法分析我國運(yùn)載火箭貯箱各制造研制階段，對(duì)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)各研制階段所達(dá)到的目的和要求，規(guī)范我國貯箱制造流程有著非常重要的意義。

一、技術(shù)成熟度和制造成熟度

上世紀(jì)70 年代，美國國家航空航天局提出技術(shù)成熟度的概念。2003 年，美國國防部在該定義的基礎(chǔ)上稍做修改，形成了目前在美國國防科研和采辦管理中被廣泛認(rèn)可的9 級(jí)技術(shù)成熟度等級(jí)（TRL）標(biāo)準(zhǔn)，其中1 級(jí)最低，9 級(jí)最高，具體等級(jí)及內(nèi)涵見美國國防部《技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)手冊(cè)》。此外，2003 年，美國國防部在《技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)手冊(cè)》中還提出了制造成熟度等級(jí)（MRL）的概念。MRL 是從生產(chǎn)制造的角度對(duì)TRL 進(jìn)行理解和認(rèn)識(shí)，是TRL 概念的拓展和延伸，其量化反映了制造能力對(duì)于工程目標(biāo)的滿足程度。美國國防部制定的《制造成熟度指南》將MRL 劃分為10 個(gè)級(jí)別，表1 中列出了美國國防部對(duì)MRL 各級(jí)定義及等級(jí)內(nèi)涵中部分關(guān)鍵性描述。目前已有研究表明，MRL 的10個(gè)級(jí)別與TRL 的9 個(gè)級(jí)別是相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其中，TRL 的1 ～6 級(jí)、8 ～9 級(jí)一一對(duì)應(yīng)于MRL 的1 ～6級(jí)和9 ～10 級(jí)；TRL 的7 級(jí)對(duì)應(yīng)于MRL 的7 和8兩級(jí)。制造的進(jìn)展取決于TRL 和設(shè)計(jì)的穩(wěn)定狀態(tài)，如果技術(shù)或設(shè)計(jì)不穩(wěn)定，制造成熟則無法實(shí)現(xiàn)；而驗(yàn)證技術(shù)成熟需要通過制造來完成，制造工藝達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，技術(shù)成熟同樣無法實(shí)現(xiàn)。

表1 美國國防部MRL等級(jí)及內(nèi)涵

二、貯箱各制造階段劃分

在國際上，貯箱設(shè)計(jì)研制一般劃分為論證階段、方案階段、工程研制階段、定型階段，其中論證階段又稱為可行性論證階段；方案階段可細(xì)分為方案認(rèn)證階段、方案設(shè)計(jì)階段和模樣階段；工程研制階段分為初樣階段和試樣階段；定型階段包括設(shè)計(jì)定型與生產(chǎn)定型。我國現(xiàn)役和在研的運(yùn)載火箭貯箱的研制和生產(chǎn)過程中包含4 個(gè)階段，分別為預(yù)研階段、方案階段、初樣階段、試樣階段（為區(qū)分我國與國際一般研制階段中“初樣和試樣階段”的名稱，后文中國際一般研制階段中的“初樣和試樣階段”暫分別標(biāo)識(shí)為“初樣階段*、試樣階段*”），國際、國內(nèi)貯箱研制階段劃分以及與材料和工藝制造相關(guān)的要求見表2。通過對(duì)比表2中國際貯箱一般研制階段的定義和我國貯箱研制階段的要求，可以看出：一是我國預(yù)研階段對(duì)材料、工藝和縮比試驗(yàn)件的要求，與可行性論證階段、方案認(rèn)證和方案設(shè)計(jì)階段對(duì)貯箱材料、工藝方案可行性、通過縮比件試制開展關(guān)鍵工藝技術(shù)研究的內(nèi)涵一致。二是我國方案階段與模樣階段要求突破工藝的關(guān)鍵技術(shù)，制造原理樣機(jī)，完成典型地面試驗(yàn)考核的內(nèi)涵一致。三是我國初樣階段對(duì)工程化和地面試驗(yàn)考核的要求，與初樣階段*關(guān)于形成制造驗(yàn)收技術(shù)條件等要求以及通過靜力試驗(yàn)考核等內(nèi)涵一致。四是我國試樣階段關(guān)于飛行試驗(yàn)考核、發(fā)射任務(wù)的要求，與試樣階段*、設(shè)計(jì)定型要求的飛行試驗(yàn)和生產(chǎn)流程固化的內(nèi)涵一致，試樣階段*、設(shè)計(jì)定型及生產(chǎn)定型階段可以統(tǒng)歸為我國的試樣階段。

表2 貯箱設(shè)計(jì)的研制階段劃分

三、我國貯箱制造各階段成熟度分析

由于運(yùn)載火箭不同于導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)，不存在大批量生產(chǎn)階段，因此其制造成熟度最高為MRL8。根據(jù)貯箱研制各階段的內(nèi)容要求以及MRL的定義，對(duì)我國運(yùn)載火箭貯箱各階段的成熟度等級(jí)進(jìn)行劃分。

1.預(yù)研階段

預(yù)研階段涵蓋可行性論證、方案認(rèn)證、方案設(shè)計(jì)階段。首先，依據(jù)可行性論證階段定義，貯箱制造工藝主要為調(diào)研貯箱制造工藝、梳理制造關(guān)鍵技術(shù)。其次，在方案認(rèn)證階段，貯箱制造工藝要求明確材料工藝性能。再者，根據(jù)方案設(shè)計(jì)階段定義中的需開展關(guān)鍵工藝技術(shù)項(xiàng)目研究，貯箱制造工藝內(nèi)容主要是通過試制典型縮比試驗(yàn)件，驗(yàn)證制造關(guān)鍵工藝技術(shù)，即驗(yàn)證不同工藝及組合方案可行性。

2.方案階段

方案階段涵蓋了模樣階段要求。依據(jù)模樣階段的定義，貯箱制造工藝內(nèi)容主要為突破制造工藝過程中的關(guān)鍵技術(shù)，明確基本工藝流程，制造出原理樣機(jī)，通過關(guān)鍵性能考核試驗(yàn)。MRL4 要求工藝要確保可制造性并能達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量要求，制造出用于驗(yàn)證技術(shù)的演示樣機(jī)。MRL4 中的確保可制造性是要求突破關(guān)鍵技術(shù)、明確基本工藝流程，而制造用于研制的演示樣機(jī)也是要求制造原理樣機(jī)并通過關(guān)鍵性能考核。因此，模樣階段對(duì)應(yīng)MRL4，即我國的方案階段應(yīng)達(dá)到MRL4 成熟度等級(jí)。

3.初樣階段

我國初樣階段與國際一般研制階段中的初樣階段*的要求是一致的。根據(jù)初樣階段*的定義，貯箱制造工藝內(nèi)容要求主要為優(yōu)化工藝流程和生產(chǎn)要素，保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性，初步形成貯箱制造、驗(yàn)收技術(shù)條件，滿足工程化要求，通過部分型號(hào)地面試驗(yàn)考核。而MRL5 要求具備在相關(guān)生產(chǎn)環(huán)境下制造原型樣機(jī)的能力，與初步形成制造/驗(yàn)收技術(shù)條件、滿足工程化的要求一致。因此，初樣階段*對(duì)應(yīng)MRL5，即我國的初樣階段應(yīng)達(dá)到MRL5 成熟度等級(jí)。

4.試樣階段

我國的試樣階段對(duì)應(yīng)國際一般研制階段中的試樣階段*、設(shè)計(jì)定型。結(jié)合試樣階段*的定義，貯箱制造工藝內(nèi)容主要為形成完整的貯箱制造、驗(yàn)收技術(shù)條件，制備出工程樣機(jī)，并通過飛行試驗(yàn)考核。包含了MRL6 和MRL7 兩級(jí)的要求。其中，MRL6 要求初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得認(rèn)可，已經(jīng)產(chǎn)生初始制造方法，在相關(guān)生產(chǎn)環(huán)境下驗(yàn)證了系統(tǒng)/分系統(tǒng)原型樣機(jī)的生產(chǎn)工藝，要求進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝及流程，制造工程樣機(jī)，通過各種靜、熱、動(dòng)、環(huán)境補(bǔ)充地面試驗(yàn)考核，由此系統(tǒng)設(shè)計(jì)才能初步獲得認(rèn)可。MRL7 進(jìn)一步要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)活動(dòng)接近尾聲，已批準(zhǔn)材料規(guī)范書，在典型生產(chǎn)環(huán)境下驗(yàn)證了制造工藝和程序。要求固化產(chǎn)品制造工藝流程，制造工程樣機(jī)，形成完整的貯箱制造、驗(yàn)收技術(shù)條件，通過飛行試驗(yàn)考核，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)才能接近完成。因此，在試樣階段*需要完成MRL6 和MRL7 兩級(jí)的要求。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)定型階段的定義，貯箱制造工藝內(nèi)容主要為形成完整的貯箱制造工藝系統(tǒng)，滿足小批量正式產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，滿足發(fā)射任務(wù)要求。MRL8 要求已經(jīng)完成系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)并足夠穩(wěn)定，可進(jìn)入小批量生產(chǎn)，兩者在滿足小批量正式生產(chǎn)的要求內(nèi)涵是一致的。因此，設(shè)計(jì)定型階段對(duì)應(yīng)MRL8。綜上所述，我國的試樣階段需完成國際一般階段中的試樣階段*和設(shè)計(jì)定型階段的要求內(nèi)容，最終應(yīng)達(dá)到MRL8 成熟度等級(jí)。

在TRL 方面，根據(jù)TRL 與MRL 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合我國貯箱制造各階段MRL 分析，預(yù)研階段應(yīng)達(dá)到TRL3 成熟度等級(jí)、方案階段應(yīng)達(dá)到TRL4 成熟度等級(jí)、初樣階段應(yīng)達(dá)到TRL5 成熟度等級(jí)、試樣階段應(yīng)達(dá)到TRL7 成熟度等級(jí)。貯箱各研制階段MRL 和TRL 等級(jí)見表3。

表3 我國運(yùn)載火箭貯箱研制階段成熟度等級(jí)