产品成熟度提升及其在批产卫星研制中的应用

肖刚 姜万杰 吴振宇 董方成 张洪波

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

早在20 世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）提出技术成熟度（Technology Readiness Levels，TRL）概念，主要针对应用新技术研制的新产品，强调从技术开发到产品转化过程中新技术应用的完备性及其验证的充分性。2003年，美国国防部（DoD）颁布了《技术成熟度评估手册》，将技术成熟度等级划分为9级；2009年，颁布了《制造成熟度评估手册》，将制造成熟度等级划分为10级［1-3］。

2003年，中国航天企业提出了产品成熟度概念，开始在产品成熟度技术上进行初步探索，主要是为适应航天器由单件研制向小批量生产转型这一新的发展趋势，针对航天产品研制品种多、状态多、研制队伍相对分散、老产品质量问题多、产品创新能力相对不足等问题而开展的。2007年，中国航天企业将产品成熟度划分为预研产品、工程产品、飞行成品、成熟产品和定型产品等5 个等级［4］。2009年，中国航天企业发布了企业标准，将单机产品成熟度划分为8个等级［5］。其中，1～4级产品是产品初次研制阶段，主要开展原理样机、工程样机和飞行产品的研制；5级产品是经过多次飞行，能够在轨稳定运行的成熟产品，达到此标准的产品可以逐级申报航天企业三级、二级、一级定型产品，分别对应成熟度等级的6、7、8级。

在产品成熟度概念被规范之后，中国航天企业通过产品定型工作开展了产品成熟度的提升研究。本文通过介绍产品成熟度提升的概念及应用，总结了产品定型工作对于产品成熟度提升研究的方法与意义，以及在批产卫星研制中的应用，可为后续航天产品成熟度提升提供参考。

2 产品成熟度提升的概念

2．1 概念

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、完备性记忆在一定功能、性能水平下质量稳定性的一种度量［6］，已 在 航 天 器 上 成 功 使 用，并 经 过3 次 或3 次以上实际空间飞行，符合设计要求的产品被称为成熟产品。

产品成熟度提升是产品成熟度等级提高的过程，是在产品固有的功能性能基础上，采取一定的工作方式或合理的工作流程提高产品的成熟度等级。产品成熟度提升研究的重点，是产品成熟的本质特征和内在规律，其目的是针对小子样、高可靠、高质量等特点，为航天产品快速成熟提供有效途径和方法。本文结合批产卫星产品小子样相对较多的特点，给出了验证关键特性、识别薄弱环节、固化操作流程、建立数据包络的4种提升方法，可推广用于其它的航天产品开展成熟度提升工作。

推行产品成熟度提升具有如下意义：①产品成熟度等级的提升，尤其是对于上货架产品（或现货产品）［7］，可以表征该类产品的性能与功能稳定、可靠；②开展成熟度提升工作，可以充分识别产品的设计、工艺、过程控制三类关键特性，提高对产品的技术认识程度；③开展成熟度提升工作，可以促进产品生产质量稳定，提升产品研制单位的设计能力、竞争力，提高批量产品性能的一致性与可靠性。

2．2 成熟度提升与产品定型的关系

产品成熟度提升的过程分为产品初次研制、产品重复生产和使用、产品定型和升级改进3个阶段。开展产品定型就是开展产品成熟度提升的第3阶段［6］。

产品的定型工作是指对飞行产品（含以飞行产品为基线并经过鉴定试验的产品）或成熟产品进行设计定型、工艺定型及测试、试验规范化，完善产品保证文件，保证每批产品的质量稳定、性能一致性好，达到可以稳定重复生产的过程。产品定型时，产品完成小批量生产和应用验证后的状态固化和持续改进的过程，是产品进入货架（现货）供应模式并进一步提升成熟度的重要工作［8］。

产品成熟度是对产品稳定、可靠程度的一种认可，通常用成熟度等级来表征产品的成熟程度。而产品定型，是在对产品成熟度认可的基础上开展的系列技术与管理活动，确保该产品的成熟度可以完整可靠地延续，产品定型意味着产品上货架，具备了不同型号之间的通用选择功能。定型产品具有一定的成熟度水平。

3 产品成熟度提升在批产卫星中的应用

北斗导航卫星作为批产卫星研制的代表型号，其生产模式从原来的单一卫星研制逐步进入小批量研制、模式。在批产卫星研制模式下，实现关键产品的成熟条件相对容易，这主要得益于卫星发射的频率以及产品选用的数量。在2010年至2012年的3年时间内，我国陆续成功发射了十几颗导航卫星，满足5级成熟度产品规定的至少3次成功飞行考核、单次在轨正常工作时间不少于2年等基本要求。基于此，航天企业选择了批产卫星作为产品成熟度提升研究的工作对象，并结合卫星研制特点，按照初始识别、深入研究、完成提升3 个阶段来开展应用工作。图1为成熟度提升路线。

图1 成熟度研究在卫星研制中的应用路线图Fig．1 Roadmap of improving product maturity in satellite development

3．1 初始成熟度识别

成熟度提升工作初始，卫星系统组织设计、工艺、可靠性、环境试验、产品化等方面的专家队伍，对照宇航单机产品成熟度等级的划分与规定［5］，根据定型产品实际状态，从设计、工艺、产品保证和过程控制、试验验证、数据包飞行验证等方面，对1级到2级、2级到3级、3级到4级、4级到5级进行了比对分析工作，开展了本级成熟度识别完善工作，重点进行产品技术状态的基线梳理。确定了卫星系统34台类典型单机产品的初始成熟度，再根据后续应用需求确定了产品的成熟度提升目标。针对初始成熟度等级情况，分析产品是否适应下一个高等级的成熟度培育，明确方向后，确定为目标成熟度等级［8］。

3．2 提升的方法

1）验证产品关键特性

决定产品成熟度的关键特性主要包括设计、工艺和过程控制3个方面，要提升产品的成熟度，就要加强产品的设计、工艺、过程控制三类关键特性的分析。目前有部分产品在各类专项课题中开展了试验验证、设计仿真分析等相关工作，验证了一些关键特性，为产品定型奠定了一定基础。但这些工作项目不能覆盖定型工作的全部要求，还须补充开展部分试验和分析的专项工作，比如：产品极限拉偏试验、产品长寿命考核试验等。

验证产品关键特性的方法主要是对3类关键特性的设计正确性、工艺稳定性、过程控制有效性进行验证与确认；验证的手段一般有数据分析、仿真分析和试验验证。

2）识别产品薄弱环节

开展产品“再设计、再分析、再验证”（简称“三再”）的工作方法，从产品的结构、功能、特性开展梳理，由上到下逐级进行分析，再次识别单机的薄弱环节［9］，并对薄弱环节进行分类，分为设计改进、工艺完善、过程控制、试验验证和数据包完善。

识别产品薄弱环节的方法主要是找到产品的结构、功能及特性方面存在的易失效模式，并提出完善建议；识别的手段一般有“三再”、“1＋6＋2”（1为故障模式与影响分析，6为可靠性专项设计：热设计、元器件降额设计、抗力学环境设计、电磁兼容性设计、抗辐射设计、静电防护设计，2为元器件可靠性使用与试验验证）及产品级相关验证试验。

3）固化生产操作流程

产品在生产过程中，主要通过对各类文件的严格审查来控制产品的生产质量。通过对生产指导类文件、操作过程类文件及过程控制类文件进一步复查，梳理并改进一些细节问题，保证文件可操作性、可检查性、可重复性生产，使其更具有生产指导意义。同时，鉴于批产卫星的数量与质量可靠性，对工艺文件参数细化量化，可保证产品重复稳定生产。

固化生产操作流程的方法主要是对生产指导文件、操作过程文件、过程控制文件进行可操作、可检查、可重复等三个方面的检查与改进；固化的手段有文件分类管理和文件归档。

4）建立产品数据包络

各单机产品对地面各类数据进行收集和整理，在批产的设备范围内开展不同批次投产的产品数据一致性的比对工作，形成产品地面数据包络；产品数据包中包含产品的功能、性能参数指标要求；同时，对产品在轨工作相关数据进行收集和整理，后续对整理后的数据开展产品数据一致性的比对工作，并形成产品在轨数据包络，对产品在轨工作趋势进行分析；各产品将地面数据、在轨数据结合，逐步建立产品的数据库，为后续定型和产品应用提供数据支持。

建立产品数据包络的方法，主要是对产品设计、生产、总装、在轨等阶段的功能、性能指标（含软件）进行归类汇总与比对分析；建立的手段主要是收集单机产品在各个阶段的测试数据。

3．3 提升结果

卫星系统在成熟度提升工作的后期，确立了6台类三级定型单机产品，这些产品重点开展了环境适应性、极限能力、性能拉偏、寿命与可靠性等试验考核，完成了产品可靠性评估、相关定型程序等工作。

其余28台类单机产品将以3级、4级或5级成熟度为目标开展成熟度提升或定级工作，重点以开展文件固化、产品规范和数据包完善、飞行产品基础数据包建立、完善和比对分析，形成功能、性能参数的地面模拟飞行环境验收级实测数据和所有其它地面测试数据，以及寿命试验考核等工作。

4 产品成熟度提升的建议

1）完善基础规范体系，指导产品成熟度提升

按照宇航单机产品成熟度定级规定［5］，单机产品须提升产品成熟度至5级或5级以上时，产品在试验方面的考核要求大大提高，除须完成寿命考核试验外，还对环境适应性、极限能力、性能拉偏、寿命与可靠性等试验提出相关要求。这些试验要求对于电子类、结构类、机电类等不同类产品实物来说，须开展多种不同的试验项目。

但是，目前国内相关的基础规范体系中，对于这些不同类产品开展试验的样本数要求、评定标准和定型可靠性评估方法等还存在要求不明确、无依据执行、规范遵循难等问题。要完成好这些试验项目，就还要对基础规范体系继续探索和研究，并完善这些规范体系才能更好地指导工程应用。

2）提前开展极限试验，有助产品成熟度提升

事实上，部分单机产品在从低等级成熟度向高等级成熟度转变的过程中，产品的极限试验工作没能有效开展，这极大地制约了产品成熟度的提升。认识到单机产品的自身特殊性，关注这台产品的关键特性与后续使用情况的预估，在产品研制初期，有针对性地开展部分极限试验，将有助于该产品的成熟度提升，这取决于对单机产品性能以及成熟度工作本身的认识与理解。在单机产品确立为航天器系统中的重点或关键单机之后，应尽可能提前安排关键单机产品的寿命考核与极限拉偏试验，在对产品的性能进行摸底的同时，可为后续开展成熟度提升提供有力依据。

3）研究成熟度模型，推动产品成熟度提升

成熟度模型是用于描述和评估事物处于能达到某种期望能力的状态或程度的框架与方法，包含了对相关领域的成熟度定义和如何对成熟度进行评估、改进的方法和程序等内容。国外早在20 世纪90年代，就开展了对成熟度模型的研究，常见模型已发展到30多种。建议在后续的研制工作中分步实施成熟度模型研究［10］：①理解成熟度模型概念，找到应用模型的最佳方式；②将开展成熟度研究的产品的各个特征值与模型所描述项目进行比较，确定须改进项目；③拟定改进计划，实施必要的文件补充、试验验证等措施，改进产品相关项目；④重复项目评估，循环改进产品，扩展模型的广度与深度。

5 结束语

产品成熟度提升不仅是提高产品成熟度等级的过程与手段，也为识别产品的各类特性和梳理失效模式提供了解决途径，其最终目标都是为了航天器产品在轨稳定可靠运行。同时，产品成熟度提升还是产品成熟度工作中的关键环节，开展产品成熟度提升研究，就是要摸清产品成熟度提升的工作路线，采用合理的方式方法，达到产品成熟度等级提升的目的。本文通过对批产卫星型号研制中开展成熟度提升工作的研究，总结出了一套适用于我国航天产品成熟度提升的路径与方法，后续工作将继续完善基础规范体系等，以有效地推进航天领域的产品成熟度工作。

（References）

［1］Office of the Chief Engineer．NASA program and project management processes and requirements ［M］．Washington D．C．：NASA，2007

［2］Department of Defense．Technology Readiness Assessment（TRA）deskbook ［R］．Washington D．C．：DoD，2009

［3］Department of Defense．Manufacturing readiness assessment deskbook［R］．Washington D．C．：DoD，2009

［4］朱毅麟．开展技术成熟度研究［J］．航天标准化，2008（2）：12-14

Zhu Yilin．Study of technology readiness［J］．Aerospace Standardization，2008（2）：12-14（in Chinese）

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［6］牛庆锋．货架式产品管理模式实践［J］．航天工业管理，2011（6）：49-53

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［7］袁家军．航天产品工程［M］．北京：中国宇航出版社，2011

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Yuan Jiajun．Meticulous quality management in aerospace project［J］．Engineering Science，2011，13（8）：36-42（in Chinese）

［9］郭振伟，黄威，朱北园，等．通过“再设计、再分析、再验证”提升关键单机产品成熟度［J］．航天工业管理，2011（6）：54-59

Guo Zhenwei，Huang Wei，Zhu Beiyuan，et al．Improve critical unit-product maturity by‘re-design、re-analysis、re-verification’［J］．Aerospace Industry Management，2011，6：54-59（in Chinese）

［10］王卫东，朱杏生，李宇峰，等．空间产品成熟度模型的建立与应用研究［J］．航天工业管理，2007（7）：26-31

Wang Weidong，Zhu Xingsheng，Li Yufeng，et al．Research of maturity model building and application research in space products ［J］．Aerospace Industry Management，2007（7）：26-31（in Chinese）