我国运载火箭贮箱制造各阶段成熟度分析

赵 磊、耿琼、陈永来 /航天材料及工艺研究所

技术成熟度是技术对于某个具体系统或项目而言所处的发展状态，反映了技术对项目预期目标的满足程度，是人们在大量科研和工程实践的基础上对技术成熟规律认识的一种总结。近年来，技术成熟度相关研究已在我国航天、航空领域得到应用，其作用和价值得到一定的认可。贮箱是运载火箭等航天器的重要组成部分，既是传递载荷的主要结构之一，又是动力系统的部件。当前，我国大量未成熟的新工艺在贮箱上推广应用，未开展大型贮箱研制、评价、考核等的系统梳理，大大增加了型号各阶段的研制风险。因此。采用技术成熟度方法分析我国运载火箭贮箱各制造研制阶段，对系统认识各研制阶段所达到的目的和要求，规范我国贮箱制造流程有着非常重要的意义。

一、技术成熟度和制造成熟度

上世纪70 年代，美国国家航空航天局提出技术成熟度的概念。2003 年，美国国防部在该定义的基础上稍做修改，形成了目前在美国国防科研和采办管理中被广泛认可的9 级技术成熟度等级（TRL）标准，其中1 级最低，9 级最高，具体等级及内涵见美国国防部《技术成熟度评价手册》。此外，2003 年，美国国防部在《技术成熟度评价手册》中还提出了制造成熟度等级（MRL）的概念。MRL 是从生产制造的角度对TRL 进行理解和认识，是TRL 概念的拓展和延伸，其量化反映了制造能力对于工程目标的满足程度。美国国防部制定的《制造成熟度指南》将MRL 划分为10 个级别，表1 中列出了美国国防部对MRL 各级定义及等级内涵中部分关键性描述。目前已有研究表明，MRL 的10个级别与TRL 的9 个级别是相对应的关系，其中，TRL 的1 ～6 级、8 ～9 级一一对应于MRL 的1 ～6级和9 ～10 级；TRL 的7 级对应于MRL 的7 和8两级。制造的进展取决于TRL 和设计的稳定状态，如果技术或设计不稳定，制造成熟则无法实现；而验证技术成熟需要通过制造来完成，制造工艺达不到设计要求，技术成熟同样无法实现。

表1 美国国防部MRL等级及内涵

二、贮箱各制造阶段划分

在国际上，贮箱设计研制一般划分为论证阶段、方案阶段、工程研制阶段、定型阶段，其中论证阶段又称为可行性论证阶段；方案阶段可细分为方案认证阶段、方案设计阶段和模样阶段；工程研制阶段分为初样阶段和试样阶段；定型阶段包括设计定型与生产定型。我国现役和在研的运载火箭贮箱的研制和生产过程中包含4 个阶段，分别为预研阶段、方案阶段、初样阶段、试样阶段（为区分我国与国际一般研制阶段中“初样和试样阶段”的名称，后文中国际一般研制阶段中的“初样和试样阶段”暂分别标识为“初样阶段*、试样阶段*”），国际、国内贮箱研制阶段划分以及与材料和工艺制造相关的要求见表2。通过对比表2中国际贮箱一般研制阶段的定义和我国贮箱研制阶段的要求，可以看出：一是我国预研阶段对材料、工艺和缩比试验件的要求，与可行性论证阶段、方案认证和方案设计阶段对贮箱材料、工艺方案可行性、通过缩比件试制开展关键工艺技术研究的内涵一致。二是我国方案阶段与模样阶段要求突破工艺的关键技术，制造原理样机，完成典型地面试验考核的内涵一致。三是我国初样阶段对工程化和地面试验考核的要求，与初样阶段*关于形成制造验收技术条件等要求以及通过静力试验考核等内涵一致。四是我国试样阶段关于飞行试验考核、发射任务的要求，与试样阶段*、设计定型要求的飞行试验和生产流程固化的内涵一致，试样阶段*、设计定型及生产定型阶段可以统归为我国的试样阶段。

表2 贮箱设计的研制阶段划分

三、我国贮箱制造各阶段成熟度分析

由于运载火箭不同于导弹等武器系统，不存在大批量生产阶段，因此其制造成熟度最高为MRL8。根据贮箱研制各阶段的内容要求以及MRL的定义，对我国运载火箭贮箱各阶段的成熟度等级进行划分。

1.预研阶段

预研阶段涵盖可行性论证、方案认证、方案设计阶段。首先，依据可行性论证阶段定义，贮箱制造工艺主要为调研贮箱制造工艺、梳理制造关键技术。其次，在方案认证阶段，贮箱制造工艺要求明确材料工艺性能。再者，根据方案设计阶段定义中的需开展关键工艺技术项目研究，贮箱制造工艺内容主要是通过试制典型缩比试验件，验证制造关键工艺技术，即验证不同工艺及组合方案可行性。

2.方案阶段

方案阶段涵盖了模样阶段要求。依据模样阶段的定义，贮箱制造工艺内容主要为突破制造工艺过程中的关键技术，明确基本工艺流程，制造出原理样机，通过关键性能考核试验。MRL4 要求工艺要确保可制造性并能达到相应的质量要求，制造出用于验证技术的演示样机。MRL4 中的确保可制造性是要求突破关键技术、明确基本工艺流程，而制造用于研制的演示样机也是要求制造原理样机并通过关键性能考核。因此，模样阶段对应MRL4，即我国的方案阶段应达到MRL4 成熟度等级。

3.初样阶段

我国初样阶段与国际一般研制阶段中的初样阶段*的要求是一致的。根据初样阶段*的定义，贮箱制造工艺内容要求主要为优化工艺流程和生产要素，保证产品质量可靠性和稳定性，初步形成贮箱制造、验收技术条件，满足工程化要求，通过部分型号地面试验考核。而MRL5 要求具备在相关生产环境下制造原型样机的能力，与初步形成制造/验收技术条件、满足工程化的要求一致。因此，初样阶段*对应MRL5，即我国的初样阶段应达到MRL5 成熟度等级。

4.试样阶段

我国的试样阶段对应国际一般研制阶段中的试样阶段*、设计定型。结合试样阶段*的定义，贮箱制造工艺内容主要为形成完整的贮箱制造、验收技术条件，制备出工程样机，并通过飞行试验考核。包含了MRL6 和MRL7 两级的要求。其中，MRL6 要求初步系统设计获得认可，已经产生初始制造方法，在相关生产环境下验证了系统/分系统原型样机的生产工艺，要求进一步优化制造工艺及流程，制造工程样机，通过各种静、热、动、环境补充地面试验考核，由此系统设计才能初步获得认可。MRL7 进一步要求系统的设计活动接近尾声，已批准材料规范书，在典型生产环境下验证了制造工艺和程序。要求固化产品制造工艺流程，制造工程样机，形成完整的贮箱制造、验收技术条件，通过飞行试验考核，整体系统设计才能接近完成。因此，在试样阶段*需要完成MRL6 和MRL7 两级的要求。此外，根据设计定型阶段的定义，贮箱制造工艺内容主要为形成完整的贮箱制造工艺系统，满足小批量正式产品的生产要求，满足发射任务要求。MRL8 要求已经完成系统的详细设计并足够稳定，可进入小批量生产，两者在满足小批量正式生产的要求内涵是一致的。因此，设计定型阶段对应MRL8。综上所述，我国的试样阶段需完成国际一般阶段中的试样阶段*和设计定型阶段的要求内容，最终应达到MRL8 成熟度等级。

在TRL 方面，根据TRL 与MRL 之间的对应关系，并结合我国贮箱制造各阶段MRL 分析，预研阶段应达到TRL3 成熟度等级、方案阶段应达到TRL4 成熟度等级、初样阶段应达到TRL5 成熟度等级、试样阶段应达到TRL7 成熟度等级。贮箱各研制阶段MRL 和TRL 等级见表3。

表3 我国运载火箭贮箱研制阶段成熟度等级