航天系統(tǒng)技術(shù)成熟度等級及評價準則定義

1、國際標準化組織（ISO）2013年11月正式出版了由歐洲宇航局/歐洲空間研究與技術(shù)中心（ESA/ESTEC）組織編寫的航天系統(tǒng)：技術(shù)成熟度等級及評價準則定義標準，編號為ISO 16290，對國際航天領(lǐng)域的技術(shù)成熟度活動進行了規(guī)范。這是世界范圍內(nèi)的第一份國際性的技術(shù)成熟度標準，是技術(shù)成熟度方法在世界各國科研管理中推廣應(yīng)用的重大事件，標志著技術(shù)成熟度思想與方法已在世界范圍內(nèi)得到廣泛認可。一、ISO TRL標準編制背景20世紀70年代美國宇航局（NASA）提出技術(shù)成熟度等級（TRL）的概念以來，經(jīng)過多年發(fā)展，NASA于1995年頒布了白皮書，規(guī)范了航天項目的TRL定義及描述。這一科研管理工具迅速被美

2、國政府問責辦公室（GAO）接受，并逐步推廣至美國國防部（DoD）國防采辦項目和能源部（DoE）重大項目管理當中。2000年后，技術(shù)成熟度思想與方法在世界各國得到大力推廣應(yīng)用，以英國國防部（UK MOD）、法國宇航局（CNES）、歐洲宇航局（ESA）、日本宇航局（JAXA）等為代表的諸多機構(gòu)積極在各自領(lǐng)域開展相關(guān)的研究和實踐工作。然而，由于世界各國在國防科研管理、工程實踐上的差異，以及對技術(shù)成熟度評價標準、評價流程、評價結(jié)果的應(yīng)用等方面認知的不同，各國解決技術(shù)成熟度適用性問題面臨著不小的挑戰(zhàn)。為此，NASA、ESA、CNES、JAXA等萌生了通過制定ISO標準來統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)想，經(jīng)過充分醞釀，成立

3、了由ESA/ESTEC牽頭的技術(shù)成熟度標準編制組，負責整個標準的編制工作。編制組成員包括美國、法國、日本、英國、德國、巴西和烏克蘭等7個國家約30名代表。自2010年5月11日，編制組在倫敦的英國標準協(xié)會召開首次工作會，統(tǒng)一了成熟技術(shù)度相關(guān)術(shù)語的定義后，又相繼召開了5輪技術(shù)研討會；2012年10月向ISO提交了標準草案；在依據(jù)ISO標準出版流程廣泛征求意見后，于2013年11月1日正式發(fā)布。二、ISO TRL標準內(nèi)容概述標準主要包括四部分：適用范圍、術(shù)語定義、TRL定義、TRL說明，著重描述術(shù)語解釋和TRL定義，并輔以注釋和舉例說明。（一）適用范圍主要用于航天系統(tǒng)的硬件產(chǎn)品，其他領(lǐng)域參照使用。

4、TRL的定義約定了達到各級技術(shù)成熟度等級所需的條件，為實現(xiàn)精準的技術(shù)成熟度評價提供了標準。（二）術(shù)語定義該部分針對原理樣機、單元的關(guān)鍵功能、單元的關(guān)鍵部件、單元、單元功能、功能性能需求、實驗室環(huán)境、成熟技術(shù)、任務(wù)運行、模型、運行環(huán)境、使用性能需求、性能、性能需求、過程、相關(guān)環(huán)境、可重復(fù)的過程、需求、技術(shù)、驗證、確認等21個術(shù)語進行了定義。（三）TRL定義該部分包括概述和正文兩部分。概述部分，首先界定了TRL9的狀態(tài)，又解釋了技術(shù)成熟度評價中的具體對象（單元）的選取問題，最后就技術(shù)成熟度評價中易引起誤解的一些原則性問題進行了說明，如：技術(shù)成熟度評價的作用及局限性、技術(shù)成熟度評價的相對性和時效性、

5、單元的TRL不能高于其子單元的TRL等。正文部分，分別針對TRL19級的定義進行了詳細描述，并輔以舉例說明。例如，關(guān)于TRL1（基本原理被發(fā)現(xiàn)和報道），就分為描述和舉例說明兩個部分。1、TRL1描述對與技術(shù)相關(guān)的，現(xiàn)有的科學(xué)研究成果進行評估，并開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究與發(fā)展。通過學(xué)術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)基本的科學(xué)原理，并發(fā)表論文進行報道?？傮w上說，已經(jīng)識別出技術(shù)潛在的應(yīng)用方向，但性能需求尚未確定。2、舉例說明下列就是TRL1的例子：l 1985年，德國科學(xué)家WilliamConrad Roentgen發(fā)現(xiàn)了X射線。l 1911年，H.Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，即某種物質(zhì)在一定溫度條件下電阻

6、降為零的性質(zhì)。l 2010年10月，研究人員聲稱發(fā)現(xiàn)了世界第二種巨病毒CroV。這種病毒，可以感染海洋單細胞生物，科學(xué)家稱之為巨病毒，是由于其基因組非常多，大約有73萬個堿基對，大概是世界上已知最大的“普通”病毒的兩倍。3、TRL說明ISO定義中對TRL各級要點給出了TRL定義的簡要描述，見表1，第二列描述每級TRL單元需完成的重要活動/實現(xiàn)的狀態(tài)，第三列提供了取得的工作成果（文檔）。表1 ISO定義中技術(shù)成熟度等級各級的要點TRL定義需完成的重要活動/實現(xiàn)的狀態(tài)取得的工作成果（文檔）1發(fā)現(xiàn)和報告技術(shù)基本原理通過基礎(chǔ)性觀察活動確定潛在應(yīng)用，但尚未形成技術(shù)單元的概念。l 描述意圖應(yīng)用的基本原理l

7、 確定潛在應(yīng)用2闡明技術(shù)概念和/或應(yīng)用形成潛在應(yīng)用和初步的技術(shù)單元概念，但尚未驗證。l 系統(tǒng)闡述潛在應(yīng)用l 進行技術(shù)單元的初步概念設(shè)計，提出基本原理的應(yīng)用設(shè)想3通過分析和實驗對關(guān)鍵功能和/或特性進行概念驗證詳細描述技術(shù)單元概念，通過由實驗（經(jīng)驗）數(shù)據(jù)/特性支撐的分析模型演示預(yù)期性能。l 初步性能需求（可指向多個任務(wù)）中包含功能性能需求的定義l 技術(shù)單元的概念設(shè)計l 作為輸入的實驗（經(jīng)驗）數(shù)據(jù)、實驗室試驗的定義，以及試驗結(jié)果l 用于概念驗證的技術(shù)單元分析模型4實驗室環(huán)境下的部件和/或原理樣件的功能驗證（verification）通過實驗室環(huán)境下的原理樣件試驗驗證功能性。l 初步性能需求（可瞄向幾

8、個任務(wù)）連帶功能性能需求的定義l 技術(shù)單元的概念設(shè)計l 功能性能試驗計劃l 定義用于功能性能驗證的原理樣件l 原理樣件試驗報告5相關(guān)環(huán)境下的部件和/或原理樣件的關(guān)鍵功能驗證（verification）識別技術(shù)單元的關(guān)鍵功能，定義與之相關(guān)的相關(guān)環(huán)境。建造用于在相關(guān)環(huán)境下驗證性能的原理樣件（非全尺寸），受制于尺寸效應(yīng)。l 性能需求和相關(guān)環(huán)境的初步定義l 識別和分析技術(shù)單元的關(guān)鍵功能l 對技術(shù)單元進行初步設(shè)計，由用于關(guān)鍵功能驗證的合適模型提供支撐l 關(guān)鍵功能試驗計劃，分析縮放比效應(yīng)l 原理樣件試驗報告6在相關(guān)環(huán)境下用模型演示技術(shù)單元的關(guān)鍵功能驗證技術(shù)單元的關(guān)鍵功能，在相關(guān)環(huán)境下通過典型模型（外形、安

9、裝、功能）演示性能l 性能需求和相關(guān)環(huán)境的定義l 識別和分析技術(shù)單元的關(guān)鍵功能l 對技術(shù)單元進行設(shè)計，由用于關(guān)鍵功能驗證的合適模型提供支撐l 關(guān)鍵功能試驗計劃，分析縮放比效應(yīng)l 用于驗證關(guān)鍵功能的模型定義l 模型試驗報告7用模型演示技術(shù)單元在使用環(huán)境下的性能在地面或空間環(huán)境下演示使用環(huán)境下的性能。建造并試驗?zāi)軌蚍从筹w行模型設(shè)計的所有因素的典型模型，為在使用環(huán)境中演示性能留足余量。l 性能需求定義，包括使用環(huán)境定義l 模型定義與實現(xiàn)l 模型試驗計劃l 模型試驗結(jié)果8完成實際系統(tǒng)，并獲準飛行（由飛行資質(zhì)）飛行模型通過鑒定，并集成到整裝待飛的最終系統(tǒng)中。l 建造飛行模型，并集成到最終系統(tǒng)l 獲得最終

10、系統(tǒng)的飛行許可9實際系統(tǒng)通過成功執(zhí)行任務(wù)而得到“飛行驗證”技術(shù)成熟了。技術(shù)單元成功開始服役，在實際使用環(huán)境中執(zhí)行飛行任務(wù)。l 運行初期階段的試運轉(zhuǎn)l 在軌運行報告三、與現(xiàn)有TRL規(guī)范的對比分析該標準在編制過程中廣泛參考了NASA、DoD、CNES等機構(gòu)現(xiàn)行的各種技術(shù)成熟度規(guī)范。在行文格式上，參考了NASA白皮書的形式；在內(nèi)容上，主要繼承了各個規(guī)范中TRL定義的核心要點。本文以NASA 1995年發(fā)表的TRL白皮書、DoD 的TRA手冊（2009年版）、ESA的TRL手冊為對象，從TRL定義、術(shù)語說明、評價準則、評價流程等方面進行對比分析。（一）TRL定義這4套TRL定義的主要差異集中于TRL4

11、TRL8中技術(shù)載體、驗證環(huán)境等術(shù)語上，具體如下：1、ESA直接沿用了NASA的TRL定義；DoD則是在TRL6TRL9級的驗證環(huán)境方面，根據(jù)實際情況做了適應(yīng)性調(diào)整，例如，TRL6級不強調(diào)“地面或空間”，TRL7級由“空間環(huán)境”改為“使用環(huán)境”，TRL8級不強調(diào)“地面或空間”和“飛行鑒定”，TRL9級不強調(diào)“飛行驗證”。2、ISO則是在這幾個版本TRL定義的基礎(chǔ)上，進行了大量的統(tǒng)一，主要的改動集中在TRL4TRL8：lTRL4，由“確認（validation）”修改為“功能驗證（verification）”。lTRL5，由“確認（validation）”修改為“關(guān)鍵功能驗證（verificati

12、on）”。lTRL6，技術(shù)/驗證載體由“系統(tǒng)/子系統(tǒng)的模型或原型”修改為“能夠演示驗證（demonstration）單元關(guān)鍵功能的模型”，且不強調(diào)“地面或空間”環(huán)境。lTRL7，技術(shù)/驗證載體由“系統(tǒng)原型機”修改為“能夠演示驗證（demonstration）使用環(huán)境下單元性能的模型”。lTRL8，由強調(diào)驗證過程的“通過試驗和演示驗證獲得飛行資格”修改為強調(diào)結(jié)果的“獲得飛行許可”。這4套TRL定義的TRL1TRL9級的技術(shù)狀態(tài)是基本對應(yīng)，且內(nèi)涵也都一致，都是強調(diào)技術(shù)（單元）以不同的載體形式（原理樣件、模型樣件、模型、實際系統(tǒng)等）在不同的驗證環(huán)境下（實驗室環(huán)境、相關(guān)環(huán)境、使用環(huán)境等）進行演示驗證的

13、過程，以實現(xiàn)對技術(shù)風險的步進式控制。然而，也不難看出，在對各國工程術(shù)語進行統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，ISO的TRL定義中更強調(diào)了在整個技術(shù)研發(fā)過程中技術(shù)載體（單元）的獨立性，尤其是在TRL7TRL8級不要求其集成于最終系統(tǒng)進行驗證，以此來區(qū)分TRL與集成成熟度和系統(tǒng)成熟度的差異。表2 各國TRL定義對比表（中英文對照）TRLISO（國際標準化組織）DoD（美國國防部）NASA（美國宇航局）ESA（歐洲宇航局）GJB-7688-2012裝備TRL定義1發(fā)現(xiàn)和報告技術(shù)基本原理發(fā)現(xiàn)和報告技術(shù)基本原理發(fā)現(xiàn)和報告技術(shù)基本原理發(fā)現(xiàn)和報告技術(shù)基本原理提出基本原理并正式報告1Basic principles observ

14、ed and reportedBasic principles observed and reported.Basic principles observed and reportedBasic principles observed and reported 2闡明技術(shù)概念和/或應(yīng)用闡明技術(shù)概念和/或應(yīng)用闡明技術(shù)概念和/或應(yīng)用闡明技術(shù)概念和/或應(yīng)用提出概念和應(yīng)用設(shè)想2Technology concept and/or application formulatedTechnology concept and/or application formulated Technology concep

15、t and/or application formulatedTechnology concept and/or application formulated 3通過分析和實驗對關(guān)鍵功能和/或特性進行概念驗證通過分析和實驗對關(guān)鍵功能和/或特性進行概念驗證通過分析和實驗對關(guān)鍵功能和/或特性進行概念驗證通過分析和實驗對關(guān)鍵功能和/或特性進行概念驗證完成概念和應(yīng)用設(shè)想的可行性驗證3Analytical and experimental critical function and/or characteristic proof-of-conceptAnalytical and experimental

16、 critical function and/or characteristic proof of conceptAnalytical and experimental critical function and/or characteristic proof-of-conceptAnalytical and experimental critical function and/or characteristic proof-of-concept4實驗室環(huán)境下的部件和/或原理樣件的功能驗證實驗室環(huán)境下的部件和/或原理樣件的驗證實驗室環(huán)境下的部件和/或原理樣件的驗證實驗室環(huán)境下的部件和/或原理樣

17、件的驗證以原理樣品或部件為載體完成實驗室環(huán)境驗證4Component and/or breadboard functional verification in laboratory environmentComponent and/or breadboard validation in a laboratory environment Component and/or breadboard validation in laboratory environmentComponent and/or breadboard validation in laboratory environment5一種

18、相關(guān)環(huán)境下的部件和/或原理樣件的關(guān)鍵功能驗證一種相關(guān)環(huán)境下的部件和/或原理樣件驗證相關(guān)環(huán)境下的部件和/或原理樣件驗證相關(guān)環(huán)境下的部件和/或原理樣件驗證以模型樣品或部件為載體完成相關(guān)環(huán)境驗證5Component and/or breadboard critical function verification in a relevant environmentComponent and/or breadboard validation in a relevant environment Component and/or breadboard validation in relevant envir

19、onmentComponent and/or breadboard validation in relevant environment6在相關(guān)環(huán)境下用模型演示技術(shù)單元的關(guān)鍵功能相關(guān)環(huán)境下系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型驗證相關(guān)環(huán)境下系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型驗證（地面或空間）相關(guān)環(huán)境下系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型驗證（地面或空間）以系統(tǒng)或分系統(tǒng)原型為載體完成相關(guān)環(huán)境驗證6Model demonstrating the critical functions of the element in a relevant environmentSystem/subsystem model or prototype dem

20、onstration in a relevant environment System/subsystem model or prototype demonstration in a relevant environment (ground or space)System/subsystem model or prototype demonstration in a relevant environment (ground or space)7用模型演示技術(shù)單元在使用環(huán)境下的性能系統(tǒng)原型在使用環(huán)境下演示驗證系統(tǒng)原型在空間環(huán)境下演示驗證系統(tǒng)原型在空間環(huán)境下演示驗證以系統(tǒng)原型為載體完成典型使用環(huán)境

21、驗證7Model demonstrating the element performance for the operational environmentSystem prototype demonstration in an operational environment System prototype demonstration in a space environmentSystem prototype demonstration in a space environment 8完成實際系統(tǒng)，并獲準飛行（由飛行資質(zhì)）實際系統(tǒng)完成，并通過試驗和驗證獲得資質(zhì)實際系統(tǒng)完成，并通過試驗和驗證

22、獲得“飛行資質(zhì)”（地面或空間）實際系統(tǒng)完成，并通過試驗和驗證獲得“飛行資質(zhì)”（地面或空間）以實際系統(tǒng)為載體完成使用環(huán)境驗證8Actual system completed and accepted for flight (“flight qualified”)Actual system completed and qualified through test and demonstration Actual system completed and “flight qualified” through test and demonstration (ground or space)Actual

23、 system completed and “flight qualified” through test and demonstration (ground or space) 9實際系統(tǒng)通過成功執(zhí)行任務(wù)而得到“飛行驗證”實際系統(tǒng)通過成功執(zhí)行任務(wù)得到驗證實際系統(tǒng)通過成果執(zhí)行任務(wù)得到“飛行驗證”實際系統(tǒng)通過成果執(zhí)行任務(wù)得到“飛行驗證”實際系統(tǒng)成功完成使用任務(wù)9Actual system “flight proven” through successful mission operationsActual system proven through successful mission oper

24、ations. Actual system “flight proven” through successful mission operationsActual system “flight proven” through successful mission operations （二）工程術(shù)語的定義TRL的目的就是一種通用語言，科研人員與管理人員之間、機構(gòu)與機構(gòu)之間、國家與國家之間，由于科研流程和工程術(shù)語的差異，給TRL的推廣應(yīng)用造成了極大的不便。表 3給出了4套TRL定義中各級在技術(shù)載體方面工程術(shù)語的對比，從中不難看出，各個機構(gòu)的工程術(shù)語都是符合其自身科研流程的一套成體系的術(shù)語集。以美

25、國而言，DoD與NASA在TRL6TRL7都采用了不同的術(shù)語，同樣，NASA與ESA在TRL1TRL9更是自成體系。故而，規(guī)范TRL中涉及的工程術(shù)語，消除因其而帶來的不利影響，就成為各家規(guī)范和標準中的主要任務(wù)之一。表3世界各國在TRL中的技術(shù)載體工程術(shù)語對比（中英文對照）TRLISODoDNASAESAGJB-76881Paper（紙面）2Concept（概念）Concept（概念）Concept/invention（概念/發(fā)明）Breadboard Model (BB)（原理樣件模型）3Proof-of-concept（概念驗證）Proof-of-concept（概念驗證）Proof-of-

26、concept（概念驗證）Elegant Breadboard (EB)（簡化原理樣件）4Breadboard（原理樣件）Breadboard（原理樣件）Breadboard(low-fidelity)（中等逼真度原理樣件）Engineering Model (EM)（工程模型）原理樣品5Breadboard（原理樣件）Breadboard（原理樣件）Brassboard(mid-fidelity)（中等逼真度原理樣件）Engineering Qualification Model (EQM)（工程鑒定模型）模型樣品6Model(模型)System/subsystem model or pro

27、totype（系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型）Prototype(scaled form/fit)（縮比原型）Proto/ Flight Model（原型/飛行模型）系統(tǒng)/分系統(tǒng)原型7Model（模型）System prototype（系統(tǒng)原型）Engineering unit(high-fidelity)（高逼真度工程單元）Representative in orbit demonstration（典型在軌演示驗證）系統(tǒng)原型8Actual system（實際系統(tǒng)）Actual system（實際系統(tǒng)）Mission configuration（任務(wù)配置）In orbit demonstration

28、of complete system（全系統(tǒng)的在軌演示驗證）實際系統(tǒng)9Actual system（實際系統(tǒng)）Actual system（實際系統(tǒng)）Actual mission（實際任務(wù)）Operational system in orbit（在軌運行系統(tǒng)）實際系統(tǒng)DoD為規(guī)范TRL評價，特意針對原理樣機、高逼真度、低逼真度、模型、使用環(huán)境、原型機、相關(guān)環(huán)境、模擬使用環(huán)境等8個術(shù)語進行了明確界定。ESA更是在其TRL手冊中詳細定義了46個工程術(shù)語，包括：3個通用類（高逼真度、低逼真度等）、6個硬件類（零件、部件、系統(tǒng)等）、3個環(huán)境類（實驗室環(huán)境、使用環(huán)境等）、5個試驗類（試驗臺、仿真臺、驗證等）

29、和29個研發(fā)類術(shù)語（原理樣件、模型、原型等）。ISO標準在工程術(shù)語方面，考慮到其作為國際性標準，用戶范圍非常廣，類型也非常多（這一點與DoD涉及到航空、航天、艦船、核、兵器、電子等非常相似），通用性是首要考慮的因素。同時，由于是針對航天器的標準，又要兼顧專業(yè)性，在一定程度上體現(xiàn)航天技術(shù)專業(yè)特色。因此，ISO標準中對DoD和ESA提出的工程術(shù)語進行了折衷，在DoD基礎(chǔ)上進行了細化，同時在ESA基礎(chǔ)上進行了綜合，共提出了21個工程術(shù)語。從中不難看出，除了TRL6和TRL7級更突出強調(diào)是技術(shù)的模型外，ISO標準基本還是以DoD的定義為參考依據(jù)。（三）評價準則早期的NASA和DoD都以TRL定義作為判定某項技術(shù)的TRL的準則，美國空軍實驗室（AFRL）以TRL計算器的形式推出了一套詳細的涵蓋TRL、MRLs和PRLs（項目管理成熟度等級）的評價準則，并為DOE、DHS、NASA廣泛借鑒，