航空材料技术成熟度等级划分与评价方法研究

摘 要：航空材料技术成熟度对航空产品的研制起着至关重要的作用。文章根据航空材料的技术特点对航空材料技术成熟度等级进行了重定义，分析了材料技术成熟度与产品技术成熟度之间的关系，并使用基于CTE权重的技术成熟度评价方法，以AAA牌号钢为例进行了技术成熟度模拟评价。

关键词：航空材料；技术成熟度等级；技术成熟度评价

引言

材料是武器装备的技术基础和先导，对武器装备研制成败具有重大的影响，因此材料的技术成熟度评价无论是对材料本身的研制还是对相关产品开发都十分重要。

任何一项技术都必然有一个产生、发展、成熟的过程，材料也不例外，也遵循相似的演变轨迹。材料技术成熟度是指材料相对于某个具体系统或项目目标所处的发展状态，以等级的方式来描述材料从萌芽状态到成功应用的整个过程。

航空武器装备的工作条件十分复杂，就飞机而言，军用飞机要求提高机动性、近距格斗和全天候作战的能力；民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性、经济性；发动机要求大推比和长寿命发动机；所以，在航空领域，对材料更为苛刻，主要有耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本等，显而易见，航空材料技术成熟度在一定程度上决定了航空武器装备的发展。文章就针对航空材料技术成熟度评价方法进行初步探讨。

为了便于后续文中使用和追溯理解，首先介绍一下有关基本概念的缩写和定义：

（1）技术成熟度等级（TRL，Technology Readiness Level）：对技术成熟度进行量度和评测的一种标准。基于事物发展客观规律，将技术从萌芽状态到成功应用于某个具体系统或项目的整个过程划分为若干个阶段；为管理层和科研人员提供了标准的通用语言。

（2）技术成熟度评价（TRA，Technology Readiness Assessment）：采用技术成熟度标准，通过一套科学、严谨的实施程序评价系统或项目中各项关键技术的技术成熟度。

（3）关键技术元素（CTE，Central Technology Element）：是指在规定的时间、规定的费用范围之内为完成项目设定的性能要求和任务，必须依赖的技术。

（4）工作分解结构（WBS，Work Breakdown Structure）是指把项目可交付成果和项目工作分解成较小的、更易于管理的组成部分的过程。

1 航空材料技术成熟度等级的重定义（TRL）

1.1 材料技术成熟度与产品技术成熟度之间的关系

技术成熟度（Technology Maturity）的定义为技术相对于某个具体系统或项目目标所处的发展状态，因此在评价材料的技术成熟度时，必须明确材料的应用目标才可以涵盖材料技术成熟度的内涵。

比如，AAA牌号钢在某型号中同时被用于制造飞行参数记录仪保护壳体和飞机起落架；显然，前者的技术成熟度要远远高于后者的技术成熟度，但是，制作保护壳体的技术并不能代表真实的AAA牌号钢技术成熟度水平；因此，科研管理者和技术人员最关心的材料技术成熟度，是指材料制作典型制件、并在典型环境中应用时的技术成熟度。同样一种材料，用于不同制件，其技术成熟度水平会出现明显差异，这其中的原因可以从技术成熟度评价方法中找到答案。

此外，航空材料的成熟度与产品的成熟度有着密切的关系，只有实现了材料与产品研发的密切互动，才能协调好技术、投资以及研制周期之间的关系，取得良好的经济效益及技术效益。材料与航空产品技术成熟度之间的关系见表1。

从表1中可以看出，材料技术的成熟度是航空产品技术成熟度的基础，材料开发与航空产品开发需要互动、匹配，这样才能减小研制风险、缩短研制周期、节约研制经费；理想的安排是材料TRL9与航空产品TRL6对应，以便使航空产品的TRL6～TRL9阶段的时间间隔缩短。

根据历史的经验，如果不以客户需求为导向，而且材料开发与发动机开发不并行、不互动、两者的技术成熟度不匹配，那么材料的研制周期将长达10年；反之，如果加强了供需双方的联系，材料的研制周期可缩短到2～3年。

1.2 航空材料技术成熟度等级重定义

尽管美国国防部的技术成熟度等级得到广泛的认同和使用，但对于不同行业、不同背景的项目来说，技术载体、试验环境、试验内容都有各自的特殊性，通用的TRL定义往往由于缺乏针对性，而导致对于项目的成熟度描述不够准确。因此，需要针对航空材料TRL进行重定义（具体化），形成能够更加准确的体现航空材料技术特点的、针对性和适用性更强的TRL定义。重定义的原则不是通用的TRL定义，而是细化、体现特点，便于评价时理解和评判，航空材料TRL重定义见表2。

航空材料技术成熟度等级的划分，做到了具体化评价方法、指定验证环境和技术载体、分步控制风险，是对航空材料技术成熟程度进行度量和评测的一种“标准和尺度”，是技术专家与管理部门沟通采用的“主要语言”。

2 航空材料技术成熟度评价方法

2.1 结合目标识别关键技术（CTE确定）

在评价技术成熟度时，核心步骤之一就是通过任务的WBS来筛选、确定CTE，根据不同成熟度等级评价细则对各个关键技术元素进行评价，最终利用一定的方法得出材料的技术成熟度。因此CTE对材料的技术成熟度水平起到决定性的作用。

对于AAA牌号钢来说，将其用于制造起落架时，大直径棒材制造、超大型锻件锻造与预备热处理、表面防护（超音速火焰喷涂、氧化磷化）等技术都是CTE，目前在国内由于技术储备、设备等多方面原因都比较难以实现，技术成熟度等级比较低；而用其制造飞行参数记录仪保护壳体，其CTE则是壳体设计、与橡胶隔热层的匹配等，这些技术相对成熟许多。因此，材料的关键技术及其可实现性不同，导致同一种材料在不同的项目中技术成熟度水平不同。

2.2 CTE影响权值研究

“CTE影响权值”是表征CTE重要性的量化指标，它是一个位于0～1之间的数值，同一个项目中所有影响权值之和为1，其大小表示该技术成熟度因子对整个项目的重要性。CTE影响权值越大，表示对应的CTE对于整个项目的技术成熟度越重要。CTE影响权值取决于其所有CTE的成熟度和风险等级，航空材料TRL可以由关键技术元素CTE的TRL、CTE影响权值两个参数来计算，具体计算公式如下：

航空材料TRL=（CTE的TRLi×权重i）

其中，航空材料TRL是最终想得到的结果；n表示该包括的CTE数目；CTE的TRLi表示第i项CTE的TRL，权重i是指第i个CTE对应的权值。CTE的权重的确定依赖于项目攻关团队、技术领域专家、技术成熟度管理三方面的人员依据项目实际科研情况进行确定。

2.3 航空材料TRA加权法

评价出各个CTE的TRL后，航空材料技术成熟度究竟处于什么等级还不得而知。加权法是按照各项CTE的重要性，确定它们的权重系数，将CTE的成熟度进行加权，得到航空材料的TRL。

以AAA牌号钢在起落架中的应用为例，采取TRA加权法进行虚拟评价，评价结果见表3。

直径大于300mm棒材制造、超大型锻件锻造与预备热处理、表面防护（超音速火焰喷涂、氧化磷化）。

根据各关键技术对课题的影响程度，假定确定关键技术1～5的权重分别为20%、15%、25%、25%、15%。加权计算后获得材料的技术成熟度等级：3.4。

加权平均方法适用材料类型：流程长、工序复杂、关键技术众多。对于此类材料需要组建联合攻关队伍，对各个关键技术元素逐个击破，只有综合提高各关键技术的成熟度，材料的技术成熟度才会提高。

3 结束语

文章技术成熟度评价加权法只是技术成熟评价方法的一种，具有特定的适用范围；不同的情况使用不同的评价方法，比如多项技术集成后，技术之间存在兼容和匹配的问题，相互对接会带来系统层面的不确定和不成熟因素，这个时候需要采用模型对比法，引入综合成熟度的概念衡量任何两种由技术成熟度等级评估的技术的集成。

航空材料技术成熟度评价并不是简单地得到一个等级数字后就束之高阁，更重要的是评价过程本身对项目的指导意义，通过评价能够明确下一步工作重点、有效降低航空材料及其产品研制的风险。

技术成熟度评价是风险控制手段，也是技术创新的伙伴；技术创新能推动技术成熟度的提升，技术成熟度的提升带来大量的技术创新。

参考文献

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