航空发动机技术成熟度评价方法研究

李 瑶

(中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500)

1 引言

技术成熟度评价(TRA)是美国国防部和NASA在国防采办和科研管理中广泛采用的一种评估工具，也是产品开发和技术研究承担机构作为技术评估的手段。通过TRA能够有效控制产品发展和系统采办的风险。

技术成熟度(TR)是指技术相对于某个具体系统或项目来说所处的发展状态，它反映了技术对于项目预期目标的满足程度。任何一项技术都必然有一个发展和验证的过程。在技术成熟度评价体系中往往根据技术达到的成熟水平分成不同的等级。技术成熟度等级(TRL)是指对技术成熟程度进行量度和评测的一种标准，将技术从萌芽状态到成功应用于系统的整个过程划分为几个阶段，为管理层和科研单位提供了一种统一的标准化通用语言。技术成熟度评价方法是采用TRL对技术的成熟度进行评价的一套方法、流程和程序，它是采用TRL和一个系统化的实施程序来完成技术成熟度评价报告的一个过程。

20世纪80年代，美国NASA将技术成熟度用于评估技术发展的风险，最初将技术成熟度分为7级，主要应用于航天技术领域。1995年，NASA航天评估和技术办公室发表白皮书，将技术成熟度评估纳入NASA管理指南，用于评估特定技术的成熟度，以判断不同技术对同一项目目标的满足程度，并将TRL分成9级。1999年，美国国防部引入类似的TRL概念，并在2001年正式确定在新项目中采用TRL管理。

航空发动机作为技术高度复杂的综合集成系统，其研制存在很大的风险，其中新技术应用所带来的风险可能导致项目进度滞后、研制成本增加甚至项目失败。但是为了使发动机产品提升性能和可靠性，又必须采用新技术，因而风险控制就非常关键。技术成熟度评价是降低研制风险的有效途径，在国外航空发动机研制、技术发展过程中已得到广泛应用。本文介绍了美国国防部技术成熟度评价方法和国外航空发动机技术成熟度评价的现状，提出了我国开展航空发动机技术成熟度评价的设想和初步的评价方法。

2 美国国防部的技术成熟度评价方法

美国国防部规定在所有的项目采办中强制实施TRA，其TRL评价方法来源于NASA在项目评审中采用的方法。

2.1 技术成熟度评价流程

TRA的评价流程包括识别关键技术元素(CTE)和评价CTE的成熟度两个大的阶段。

(1)识别CTE

CTE的识别是TRA的基础，由项目经理总负责。判断CTE的原则是：一种全新或新颖的技术元素，或者被以全新或新颖的方式使用的技术元素，对实现系统成功开发、系统采办，或对作战实用性所必需的，这种技术元素就是CTE。

CTE的识别分为两个阶段，第一阶段由项目经理根据项目工作分解结构(WBS)提出候选的CTE清单，第二阶段由一个独立小组确定最终的CTE。确定候选技术是否是CTE，必须回答以下8个问题：

①该技术是否直接影响作战需求？

②该技术是否对改进交付进度有显著影响？

③该技术是否对系统的成本有显著影响？

④如果是一种螺旋发展，该技术对于满足交付是不是基本技术？

⑤该技术是否是新技术？

⑥该技术是否经过修改？

⑦该技术是否被用于满足新的环境要求？

⑧该技术是否可在一个环境中工作，实现超过其原先设计意图的性能和/或被验证的能力？

某项技术要成为CTE，前4个问题的答案必须是“是”，后4个问题必须有至少一个问题的答案是“是”。

(2)评价CTE的成熟度

在确定系统的CTE后，成立一个独立小组来负责评价其成熟度。首先对独立小组成员进行培训，培训内容包括对系统的全面介绍、TRA流程、识别CTE的准则及TRL评估实例。

对所有CTE做出TRA后，独立小组须提交TRA评价报告。TRA报告由项目承担单位负责技术的官员批准，同时由承担单位负责采办的官员签署。在TRA报告的结论中，必须陈述负责技术的官员对TRA的意见，说明该系统的成熟度是否满足进入下一阶段研发的要求，如果某些CTE的技术成熟度低于规定的等级，技术官员可以给出支持其进入下一阶段的意见，但必须说明原因并提交每个不满足要求的CTE的技术发展计划。

2.2 技术成熟度等级

美国国防部的评估标准与NASA的标准基本相同，均将技术成熟度分为9级等级，并明确了每一等级的定义和标准。但它们也存在一定的差别，如NASA规定在系统飞行之前技术必须达到6级，而国防部规定技术必须达到7级才能进入武器系统。对硬件、软件和制造技术分别进行了成熟度等级定义，以下是对硬件的TRL定义。

TRL1：基本原理被发现和被报告。科学理论开始转向应用研究。

TRL2：技术概念和用途被阐明。理论是推测性的，尚未经过详细分析和验证。

TRL3：关键功能和特性的概念验证。开始应用研究，开展实验室研究，硬件包括未集成的部件。

TRL4：实验室环境下的基础部件/原理样机验证。与最终系统采用的部件相比，部件“保真度”较低。

TRL5：相关环境下的部件/原理样机验证。部件试验环境达到“高保真度”。

TRL6：相关环境下的系统/子系统模型或样机验证。系统在“高保真度”的实验室环境或仿真的作战环境下进行试验。

TRL7：模拟使用环境下的原型机验证。原型机在模拟作战环境下验证。

TRL8：系统完成技术试验和验证。系统研制阶段结束。

TRL9：系统完成使用验证。系统以其最终的形式在作战试验中得到验证。

3 国外航空发动机技术成熟度评价介绍

技术成熟度评价在美国的航空发动机研制及其技术研究中得到广泛应用，美国国防部在航空发动机采办中要进行技术成熟度评价。NASA作为世界上最先应用技术成熟度的机构，在航空发动机技术研究项目上同样采用TRL作为重要的管理工具。

3.1 NASA航空发动机技术研究项目的技术成熟度评价

上世纪90年代，NASA联合工业部门开展了先进亚声速技术(AST)推进系统项目，目标是为使未来推进系统提高环境适应性提供技术储备，这些技术的技术成熟度要求达到TRL6。其中NOx排放比1996 ICAO的标准低50%。AST计划研究和验证的技术范围为TRL2至TRL6。NASA与P&W研究中，低污染燃烧室技术分以下四步达到要求的TRL6：

(1)头部概念验证，技术达到TRL3，1994-1995年度完成验证，测量的NOx排放降低50%～70%；

(2)在扇形燃烧室上验证，技术达到TRL4，1996-1997年度完成验证，测量的NOx排放降低64%；

(3)在全环燃烧室上验证，技术成熟度达到TRL5，1997-1998年度完成验证，测量的NOx排放降低55%～58%；

(4)在发动机上验证，技术成熟度达到TRL6，验证平台为PW4000发动机，1999年完成验证，测量的NOx排放降低50%～52%。

从上面可以看出，作为未来先进的民用航空发动机的一项CTE，低污染燃烧室技术完成重要的头部试验验证并达到预定的排放指标，由于头部性能是控制排放的关键，故可以认为完成了关键功能和特性的概念验证，达到TRL3；在完成扇形试验件验证后，技术达到TRL4，按照评价标准，TRL4要求达到实验室环境下的基础部件/原理样机验证，通过这一实例了解了基础部件的基本含义，此时可认为部件“保真度”较低。而全尺寸、真实环境的部件验证是达到TRL5的前提；在发动机上完成验证，意味着达到TRL6，这是一般预研项目要求达到的最高等级，也表明这项技术可以应用于工程发展阶段，也就是常说的型号阶段。在AST项目中验证并达到TRL6后，低污染燃烧室技术在型号产品上得到了很好的应用。

3.2 P&W公司的技术成熟度评价

作为世界三大航空发动机研发的巨头之一，P&W公司特别重视技术成熟度的评价和管理，公司制定了航空发动机技术成熟度评价标准，在产品研制和技术研究中把TRA作为降低技术风险的重要手段。

P&W和MTU联合实施了 “联合技术验证机项目”(JTDP)，目的是验证先进技术以支持下一代发动机产品发展。JTDP项目中采用技术成熟度管理，JTDP第一个验证项目是6级高压压气机，MTU在EJ200发动机5级高压压气机的基础上，利用E3E计划发展了一台6级高压压气机，并于1997年进行了试验验证(达到TRL4)。之后，按照PW6000发动机的要求进行了改进，完成了HDV12压气机设计，并在MTU的高温进气压气机试验台上进行了试验，获得成功(达到TRL5)。P&W和MTU决定将该压气机应用于PW6000发动机，并在P&W公司的高空台上对装在PW6000验证机(JTDP01)上的HDV12压气机进行了试验，验证了最大巡航状态(低雷诺数条件)和热天起飞状态、冷天起动状态等的性能，使6级高压压气机技术达到TRL6，具备在产品研制中应用的条件。通过每一步严格的工作和TRL评价，使该压气机部件在较短时间内逐步成熟，解决了困扰PW6000发动机的最大技术瓶颈。

TRL6是P&W公司最重视的一个成熟度等级，因为只有达到TRL6，技术才能在工程发展阶段得到应用。P&W公司对TRL6的定义是：

(1)建立了流程和设计准则；

(2)在设计环境下完成了系统级试验验证；

(3)设计工具在产品应用范围内得到定义和鉴定；

(4)建立了产品制造工艺和供应链；

(5)相关的支撑能力确定。

在型号研制中允许有部分技术未达到TRL6，但需要开展专门的技术攻关。

4 航空发动机技术成熟度评价方法探讨

由于新型航空发动机研制一般都面临巨大的技术风险，作为风险管理的一个重要手段，将TRA引入国内航空发动机预先研究和型号研制将是必然趋势。TRA不但是用户订货和管理的需要，更重要的是项目研究团队自身控制技术风险的需要。

4.1 航空发动机技术成熟度分级定义

参考NASA和美国国防部的TRL等级定义，我国同样可以将航空发动机技术成熟度分为9个等级。结合航空发动机自身的特点，等级定义如下：

TRL1：基本原理提出和发现；

TRL2：技术应用研究；

TRL3：完成概念验证，如叶栅试验、燃烧室头部试验等；

TRL4：完成模拟部件试验，如压气机性能试验，燃烧室扇形试验；

TRL5：完成部件/核心机试验，指全尺寸、全状态部件试验；

TRL6：完成系统水平验证，验证机试验，包括验证机高空台试验；

TRL7：完成飞行试验验证；

TRL8：发动机定型/取证；

TRL9：完成使用验证。

以上只是对各等级进行了定义，每一等级还需制定详细的标准和要求，特别是在完成规定的验证的同时，要对设计工具与规范、制造水平、特定技术的验证等做出规定。

4.2 航空发动机关键技术元素

不同项目具有不同的CTE。首先，CTE有不同的级别，对于航空发动机整机技术，或部件技术，或单项技术，CTE识别是不同的；同样，对于航空发动机整机，不同项目由于采用的技术差异，CTE也会存在一定的差异。

以类似于F119发动机的第四代飞机动力为例，提取的CTE可包括以下12项：总体性能、总体结构、风扇、高压压气机、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、加力燃烧室、矢量喷管、控制系统、隐身技术和其它系统。

将12项CTE进一步分解，可以得到数百乃至上千个子技术元素，在子技术元素中，第四代发动机的先进技术会得到充分体现，如总体性能技术中包括不加力超声速巡航性能，风扇技术中包括空心风扇叶片技术，高压压气机中包括三维气动设计技术，高压涡轮中包括单晶气冷叶片技术等。

4.3 航空发动机技术成熟度模拟评价

下面以上节中确定的CTE高压压气机为例，对其做初步的技术成熟度评价。假设开展高压压气机技术研究，项目名称为HPC01，目标是该压气机在发动机上得到技术验证，达到TRL6。

第一步，将高压压气机部件技术分解出关键子技术，包括以下9项：三维气动设计、气动稳定性、整体叶盘、高温钛合金转子、防钛火、间隙控制、静子叶片调节、强度寿命和维修性。

第二步，进行技术成熟度评价，评价工作必须收集大量证据，根据制定的评价标准进行评估。本文的评估在一个虚拟项目下进行，因而只给出评价结论。假定该项目完成了部件性能试验，以及主要零部件的强度试验，尚未在发动机上验证。

三维气动设计：该技术在之前的多个风扇、压气机上得到应用，并在现役发动机上应用，HPC01压气机已经完成性能试验，达到设计要求，可以认为达到TRL5。

气动稳定性：该技术在多个发动机上得到验证，HPC01压气机已经进行进口流场畸变试验，达到设计要求，可以认为达到TRL5。

整体叶盘：整体叶盘随HPC01压气机进行了性能试验，工作正常，但离心负荷和温度负荷均未达到设计要求；叶盘经过超转试验考核，性能试验中安排了叶片动应力测量。可以认为达到TRL4。

高温钛合金转子：高温钛合金转子随HPC01压气机进行了性能试验，工作正常，但离心负荷和温度负荷均未达到设计要求；转子经过超转试验考核。可以认为达到TRL4。

防钛火：钛合金构件随HPC01压气机进行了性能试验，工作正常，但未达到着火的环境条件；防钛火设计技术在其它发动机上得到验证，结构与HPC01压气机类似。可以认为达到TRL3。

间隙控制：间隙设计技术已有规范，且在其它发动机上得到验证，HPC01压气机性能试验只对间隙进行了初步考核。可以认为达到TRL3。

静子叶片调节：静子叶片调节(含调节机构)设计技术已有规范，且在其它发动机上得到验证，HPC01压气机性能试验对调节系统进行了初步考核。可以认为达到TRL4。

强度寿命：强度寿命设计按规范进行，结构随HPC01压气机进行了性能试验，工作正常，但离心负荷和温度负荷均未达到设计要求；主要零部件经过强度试验考核。可以认为达到TRL3。

维修性：压气机根据单元体要求设计，考虑了发动机维修要求；已经进行的装配分解初步验证了设计，可以认为达到TRL3。

则综合评估结果为：HPC01高压压气机完成了部件性能考核，达到设计要求，并进行了主要零部件的性能试验，部分与性能相关的子技术达到TRL5，主要结构技术达到TRL4，综合评估HPC01高压压气机达到TRL4。对于只达到TRL3的子技术，提出以下处理措施：

(1)在HPC01高压压气机进入发动机上验证之前，提出防钛火设计技术专题研究报告，就试验安全性提出依据；在配装该压气机的发动机完成主要工作状态试验(包括高空台试验)后，可以认为达到TRL6。

(2)在HPC01高压压气机进入发动机上验证之前，在部件试验上增加间隙测量，完成测量后对间隙设计进行再次评估和修改；在发动机主要工作状态试验(包括高空台试验)完成后，可以认为达到TRL6。

(3)在HPC01高压压气机进入发动机上验证之前，提出压气机强度寿命专题研究报告，就试验安全性提出依据；在发动机主要工作状态试验(包括高空台试验)完成后，可以认为达到TRL6。

(4)维修性未达到TRL4，允许HPC01压气机进入下阶段在发动机上的考核；在发动机主要工作状态试验(包括高空台试验)完成后，可以认为达到TRL4。

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