宇航关键通用产品成熟度模型及其应用

◎中国航天标准化与产品保证研究院 王喜奎 周海京 杜刚 韩天龙

当前，我国宇航型号产品的任务需求和应用方式正在发生显著变化，任务性质正由科研试验任务为主向应用服务任务为主转变，多型号、多任务并举及小批量生产、高密度出厂发射的特点越来越明显。为适应转型发展的要求，我国宇航领域于2003年开始实施宇航产品体系建设工作，提出了产品成熟度概

念。2010年，中国航天科技集团公司集团级的产品成熟度标准出台，使产品成熟度的相关工作取得了明显成效，极大地推动了宇航领域科研生产基础能力的提升。随着我国宇航产品专业化发展模式构建的稳步推进，研究宇航产品在小子样研制情况下产品成熟度提升的需求已变得较为迫切。

一、国外相关研究进展情况

1．发展概况

技术成熟度等级最早由NASA 于20世纪80年代提出，开始分为7 级，后来扩展为9 级。2003年，美国国防部颁布了《技术成熟度等级评价指南》，并于2005年对其进行了修订。

制造成熟度是对技术成熟度概念的拓展，主要度量产品可生产性及其生产保障条件与预期要求的一致性和稳定性。2008年，美国国防部提出项目研制过程中要充分考虑制造风险，并于2009年发布了《制造成熟度评价指南》，将制造成熟度等级划分为10 级；2010年，美国国防部发布了制造成熟度等级手册，并于2011年对手册进行了修订升级。

制造成熟度评价是广义制造风险管理过程中一项用来评价制造能力及其风险的有效工具。开展制造成熟度评价应确定提升制造成熟度等级和降低制造风险的目标，制定达到该项目标的计划和资金估算，从而作出向系统设计或生产现场转移的技术及过程决定。因此，制造成熟度评价应将项目关键元素的当前成熟度等级与项目该阶段要求达到的制造成熟度等级进行比较，识别出项目关键元素目前存在的差距和风险，从而为制定降低制造风险及其投资预算计划奠定基础。

2．优点与不足

技术成熟度评价是以在项目中起关键、重要作用的新技术元素为对象，以项目任务要求为目标，强调并度量了该技术元素的设计实现程度和应用验证程度。制造成熟度评价的总体思路与技术成熟度评价相一致，其以降低产品制造风险为目标，强调并度量了产品的生产环境实现程度和批量生产能力，同时考虑了生产各环节的持续改进情况。

从宇航系统工程管理和质量管理的需求出发，技术成熟度和制造成熟度评价技术的优点可总结为以下两个方面：一是在工程系统研制中，可将产品的设计和制造分别作为单独要素进行系统化的分析和控制，进而通过成熟度模型划分等级定义，并建立评定规则，这有助于对设计和制造2 个要素进行细化与量化；二是以具体工程产品为载体实施独立的技术评价，有助于推动产品系列化发展，促进宇航产品实现以货架式产品为基础的准流水线作业模式。

但从技术成熟度和制造成熟度的定义和应用对象上来看，两者的评价技术还存在以下三个方面的不足：一是它们度量的对象是选定的关键技术元素，重点关注产品工程化研制的技术可行性、可生产性和持续供应问题，只涉及构成具体工程产品的一个方面，没有涵盖产品的所有组成部分；二是它们应用于单个研制合同项目的实施周期，表征了项目过程中关键技术元素从原理研究到最终实现项目任务要求的进展程度，却没有表征产品持续完善和发展的状态；三是它们通过表征关键技术元素研发的进展程度，为项目风险评估提供支持，是辅助实施项目风险管理的重要工具，但没有从根本上提出如何在小子样情况下实现宇航产品的快速成熟。

二、产品成熟度理论及应用方法

1．概念与适用范围

产品成熟度是对产品在研制、生产及使用环节等全生命周期所有技术要素的合理性、完备性以及在一定功能、性能水平下质量稳定性的一种度量。

产品成熟度描述了产品研制的进展情况、质量与可靠性工作情况以及产品应用技术风险情况，是指导产品专业化研发和培育活动的基本路线图，为产品选用提供了参考依据。产品成熟度本身并不是针对具体产品的评价，而是对产品的可实现和可应用程度的评价。

产品成熟度理论主要适用于宇航关键通用产品。根据需求梳理，目前我国宇航关键通用产品主要包括卫星公用平台、运载火箭基本型、空间单机（卫星平台用）、运载火箭单机、卫星有效载荷产品等五大类产品。

2．产品成熟度的度量模型

产品成熟度的度量模型充分考虑了现阶段我国宇航产品研制流程和工作特点，同时兼顾当前宇航产品工程工作的总体思路和工程可操作性。

◆产品成熟度的度量要素

综合成熟度相关理论和系统工程方法，产品成熟度的度量要素包括产品的设计成熟度、制造工艺成熟度和过程控制成熟度。设计成熟度——度量产品固有设计满足规定功能和性能要求的符合程度，以及为保证产品功能和性能所需的设计关键特性的识别、控制和验证程度。其主要描述产品设计与研制技术要求的符合程度与完善程度，产品按规定条件的检测参数与产品功能、主要性能要求值的吻合程度。

产品设计的成熟特征主要表现为，通过特性分析、故障模式及影响分析等工作充分识别设计关键特性，以使关键特性的设计结果能够保证产品主要功能和性能要求的实现。

制造工艺成熟度——度量产品工艺满足设计要求并实现重复稳定生产的程度，以及为保证产品最终质量所需的工艺关键特性的识别、控制和验证程度。其主要描述产品工艺与设计要求的符合程度与完善程度，产品工艺经试验验证满足设计要求，产品工艺文件经审查确认可支持重复生产。

产品制造工艺的成熟特征主要表现为，通过在工艺设计过程中围绕产品设计关键特性的工艺实现来识别工艺关键特性，根据实际应用和试验验证形成指导生产的图纸与工艺技术文件，以确保设计要求完整实现。

过程控制成熟度——度量产品设计、生产、使用等全过程管理、控制措施满足任务成功要求的程度，以及为保证产品成功应用所需的过程控制关键特性的识别、控制和验证程度。其主要表现在围绕设计关键特性和工艺关键特性的实现与保障，通过产品保证和质量控制工作建立质量控制点，加强产品的过程控制。

产品过程控制的成熟特征主要表现为，在产品生产和应用阶段保证工作策划与要求的细化完善，以及能够控制关键质量特性或因素的有效性和精细化程度。

◆产品成熟度的度量方式

基于宇航系统工程方法原理，产品成熟度度量的基本对象和载体是产品数据包。所谓产品数据包，是产品在设计、生产、试验、交付等研制生产环节中形成的有关质量与可靠性的各类文件、记录等信息的集合，主要包括产品基础数据、产品关键特性数据、产品功能和性能数据。

以产品数据包为对象，针对设计、工艺和过程控制3 个要素建立产品成熟度等级评定模型：

式中，PML表示产品成熟度；D表示产品设计成熟度；M表示产品制造工艺成熟度；P表示产品过程控制成熟度。

产品的设计、制造工艺和过程控制的成熟度越低，所需投入攻关或研制费用就越高，研制时间越长，其成本在成熟度提升总成本中的所占比重也越大，所以产品设计成熟程度、制造工艺成熟程度和过程控制成熟程度的权重与其成熟度提升总成本成正比，即

式中，DC表示C 级产品成熟度等级设计成熟程度的成本，AD表示在该产品成熟度等级评定中产品设计成熟程度所占的权重；MC表示C 级产品成熟度等级工艺制造成熟程度的成本，AM表示在该产品成熟度等级评定中产品工艺制造成熟程度所占的权重；PC表示C 级产品成熟度等级过程控制成熟程度的成本，AP表示在该产品成熟度等级评定中产品过程控制成熟程度所占的权重。WC表示C 级产品成熟度提升的总成本。

◆产品成熟度框架模型的实施

基于产品成熟度的概念，通过研究产品成熟度的度量要素、度量方式和实施要点建立产品成熟度8 级框架模型，如图1所示。

基于产品成熟度8 级框架模型，并依据型谱规划的规格序列，研发人员按照原理样机研制、工程样机研制、飞行产品研制3 个子阶段组织实施宇航关键通用产品的研发活动。这3 个子阶段的主要工作内容类似于目前型号产品研制中的方案、初样和正/试样阶段。产品成熟度等级模型分别规定了原理样机产品（1 级）、工程样机产品（2 级）、飞行产品（3级）3 个等级，一旦产品成熟度达到3 级，标志着产品已基本完成了地面的研制和验证活动，可以参与飞行任务，并实施飞行验证。

图1 产品快速成熟过程的成熟度等级模型

产品完成地面研制和验证后开展飞行考核验证，根据飞行验证结果实施产品改进与数据包完善，不断提升产品质量、可靠性和可应用程度，为形成“性能优良、可靠性高、适应性强、质量稳定、经济性好”的货架式产品创造条件。在本阶段，产品成熟度依据飞行考核的程度划分为一次飞行考核产品（4 级）、多次飞行考核产品（5 级）2 个等级，一旦产品成熟度达到5 级，标志着产品已经过至少3 次成功飞行试验考核。

产品完成多次飞行考核后，依据产品定型准则和相关规范，对产品实施全方位考核和验证，并最终由定型主管机构实施产品定型的审查和批准工作。产品完成定型标志着产品已符合规定要求，具备了作为货架式产品提供型号选用和采购的条件，但这并不意味着产品改进完善活动的终止，因为在定型产品的应用过程中还有可能会暴露出一些问题或薄弱环节。为支持定型产品的改进完善，此阶段设置了三级定型产品（6 级）、二级定型产品（7 级）、一级定型产品（8 级）3 个等级，以标识定型产品的持续改进过程。

产品成熟度理论模型的建立，有力地支撑了我国宇航关键通用产品质量与可靠性的快速提升，推动了宇航领域质量工程的理论创新和跨越发展，满足了当前宇航系统工程的质量管理和产业化发展要求，实践证明具有重要的应用价值。◄