航天系统技术成熟度等级及评价准则定义

1、国际标准化组织（ISO ） 2013年11 月正式出版了由欧洲宇航局/欧洲空间研究与技术中心（ ESA/ESTEC）组织编写的航天系统：技术成熟度等级及评价准则定义标准，编号为ISO 16290 ，对国际航天领域的技术成熟度活动进行了规范。 这是世界范围内的第一份国际性的技术成熟度标准， 是技术成熟度方法在世界各国科研管理中推广应用的重大事件， 标志着技术成熟度思想与方法已在世界范围内得到广泛认可。一、 ISO TRL 标准编制背景20 世纪 70 年代美国宇航局 （NASA）提出技术成熟度等级 （ TRL）的概念以来， 经过多年发展， NASA于 1995 年颁布了白皮书，规范了航天项目的

2、TRL定义及描述。这一科研管理工具迅速被美国政府问责办公室（ GAO）接受，并逐步推广至美国国防部（ DoD）国防采办项目和能源部（ DoE）重大项目管理当中。2000 年后，技术成熟度思想与方法在世界各国得到大力推广应用，以英国国防部（UKMOD）、法国宇航局（ CNES）、欧洲宇航局（ ESA）、日本宇航局（JAXA）等为代表的诸多机构积极在各自领域开展相关的研究和实践工作。然而，由于世界各国在国防科研管理、工程实践上的差异，以及对技术成熟度评价标准、评价流程、评价结果的应用等方面认知的不同，各国解决技术成熟度适用性问题面临着不小的挑战。为此， NASA、ESA、 CNES、JAXA等萌生

3、了通过制定ISO 标准来统一规范的设想，经过充分酝酿，成立了由 ESA/ESTEC牵头的技术成熟度标准编制组，负责整个标准的编制工作。 编制组成员包括美国、法国、日本、英国、德国、巴西和乌克兰等7 个国家约 30 名代表。自 2010 年 5 月 11 日，编制组在伦敦的英国标准协会召开首次工作会，统一了成熟技术度相关术语的定义后，又相继召开了5 轮技术研讨会； 2012 年 10 月向 ISO 提交了标准草案；在依据ISO 标准出版流程广泛征求意见后，于2013 年 11 月 1 日正式发布。二、 ISO TRL 标准内容概述标准主要包括四部分：适用范围、术语定义、TRL定义、 TRL说明，

4、着重描述术语解释和TRL 定义，并辅以注释和举例说明。（一）适用范围主要用于航天系统的硬件产品，其他领域参照使用。TRL的定义约定了达到各级技术成熟度等级所需的条件，为实现精准的技术成熟度评价提供了标准。（二）术语定义该部分针对原理样机、单元的关键功能、单元的关键部件、单元、单元功能、功能性能需求、实验室环境、成熟技术、任务运行、模型、运行环境、使用性能需求、性能、性能需求、过程、相关环境、可重复的过程、需求、技术、验证、确认等21 个术语进行了定义。（三） TRL定义该部分包括概述和正文两部分。概述部分，首先界定了TRL9的状态，又解释了技术成熟度评价中的具体对象（单元）的选取问题，最后就技

5、术成熟度评价中易引起误解的一些原则性问题进行了说明，如：技术成熟度评价的作用及局限性、技术成熟度评价的相对性和时效性、单元的TRL不能高于其子单元的 TRL等。正文部分，分别针对TRL19级的定义进行了详细描述，并辅以举例说明。例如，关于TRL1（基本原理被发现和报道），就分为描述和举例说明两个部分。1、 TRL1描述对与技术相关的，现有的科学研究成果进行评估，并开始转向应用研究与发展。通过学术研究，发现基本的科学原理，并发表论文进行报道。总体上说，已经识别出技术潜在的应用方向，但性能需求尚未确定。2、举例说明下列就是 TRL1的例子：1985 年，德国科学家WilliamConrad Roe

6、ntgen发现了 X 射线。1911 年， H.KamerlinghOnnes 发现了超导电性，即某种物质在一定温度条件下电阻降为零的性质。2010 年 10 月，研究人员声称发现了世界第二种巨病毒 CroV。这种病毒， 可以感染海洋单细胞生物，科学家称之为巨病毒，是由于其基因组非常多，大约有 73 万个碱基对，大概是世界上已知最大的“普通”病毒的两倍。3、 TRL说明ISO 定义中对 TRL各级要点给出了TRL定义的简要描述，见表1，第二列描述每级TRL单元需完成的重要活动 / 实现的状态，第三列提供了取得的工作成果（文档）。表 1 ISO 定义中技术成熟度等级各级的要点TRL定义需完成的重

7、要活动 / 实现的取得的工作成果（文档）状态发现和报告技术通过基础性观察活动确定潜描述意图应用的基本原理1在应用，但尚未形成技术单基本原理确定潜在应用元的概念。系统阐述潜在应用2阐明技术概念和形成潜在应用和初步的技术进行技术单元的初步概念/ 或应用单元概念，但尚未验证。设计，提出基本原理的应用设想初步性能需求（可指向多个任务）中包含功能性能需求通过分析和实验详细描述技术单元概念，通的定义技术单元的概念设计对关键功能和 /过由实验（经验）数据 / 特性3作为输入的实验（经验）或特性进行概念支撑的分析模型演示预期性数据、实验室试验的定义，以验证能。及试验结果用于概念验证的技术单元分析模型初步性能需

8、求（可瞄向几实验室环境下的个任务）连带功能性能需求的定义部件和 / 或原理通过实验室环境下的原理样技术单元的概念设计4样件的功能验证件试验验证功能性。功能性能试验计划（verificatio定义用于功能性能验证的n）原理样件原理样件试验报告性能需求和相关环境的初相关环境下的部识别技术单元的关键功能，步定义件和 / 或原理样定义与之相关的相关环境。识别和分析技术单元的关5件的关键功能验建造用于在相关环境下验证键功能证（ verificati性能的原理样件（非全尺对技术单元进行初步设on）寸），受制于尺寸效应。计，由用于关键功能验证的合适模型提供支撑关键功能试验计划， 分析缩放比效应原理样件试验报

9、告性能需求和相关环境的定义识别和分析技术单元的关验证技术单元的关键键功能对技术单元进行设计， 由用在相关环境下用模型功能，在相关环境下于关键功能验证的合适模型提6演示技术单元的关键通过典型模型（外形、供支撑功能安装、功能）演示性关键功能试验计划， 分析缩能放比效应用于验证关键功能的模型定义模型试验报告在地面或空间环境下演示使用环境下的性性能需求定义，包括使用环用模型演示技术单元能。建造并试验能够境定义7反映飞行模型设计的模型定义与实现在使用环境下的性能所有因素的典型模模型试验计划型，为在使用环境中模型试验结果演示性能留足余量。完成实际系统，并获飞行模型通过鉴定，建造飞行模型，并集成到最8并集成

10、到整装待飞的终系统准飞行（由飞行资质）最终系统中。获得最终系统的飞行许可实际系统通过成功执技术成熟了。技术单元成功开始服役，在运行初期阶段的试运转9行任务而得到“飞行实际使用环境中执行在轨运行报告验证”飞行任务。三、与现有TRL 规范的对比分析该标准在编制过程中广泛参考了NASA、DoD、CNES等机构现行的各种技术成熟度规范。在行文格式上，参考了NASA白皮书的形式；在内容上，主要继承了各个规范中TRL定义的核心要点。本文以NASA 1995年发表的 TRL白皮书、 DoD 的 TRA手册（ 2009 年版）、 ESA的 TRL手册为对象，从TRL 定义、术语说明、评价准则、评价流程等方面进

11、行对比分析。（一） TRL定义这 4 套 TRL定义的主要差异集中于TRL4TRL8中技术载体、验证环境等术语上，具体如下：1、 ESA直接沿用了 NASA的 TRL定义； DoD则是在 TRL6TRL9级的验证环境方面，根据实际情况做了适应性调整，例如， TRL6 级不强调“地面或空间”， TRL7 级由“空间环境”改为“使用环境”，TRL8级不强调“地面或空间”和“飞行鉴定”， TRL9 级不强调“飞行验证”。2、ISO 则是在这几个版本TRL定义的基础上， 进行了大量的统一， 主要的改动集中在TRL4TRL8：TRL4，由“确认（ validation）”修改为“功能验证（verific

12、ation）”。TRL5，由“确认（ validation）”修改为“关键功能验证（verification）”。TRL6，技术 / 验证载体由“系统 / 子系统的模型或原型”修改为“能够演示验证（ demonstration ）单元关键功能的模型”，且不强调“地面或空间”环境。TRL7，技术 / 验证载体由“系统原型机”修改为“能够演示验证（demonstration）使用环境下单元性能的模型”。TRL8，由强调验证过程的“通过试验和演示验证获得飞行资格”修改为强调结果的“获得飞行许可”。这 4 套 TRL定义的 TRL1TRL9级的技术状态是基本对应， 且内涵也都一致， 都是强调技术 （单

13、元）以不同的载体形式（原理样件、模型样件、模型、实际系统等）在不同的验证环境下（实验室环境、相关环境、使用环境等）进行演示验证的过程，以实现对技术风险的步进式控制。然而，也不难看出，在对各国工程术语进行统一的基础上，ISO 的 TRL定义中更强调了在整个技术研发过程中技术载体 （单元）的独立性，尤其是在 TRL7TRL8级不要求其集成于最终系统进行验证，以此来区分 TRL与集成成熟度和系统成熟度的差异。表 2各国 TRL定义对比表（中英文对照）ISODoDNASAESAGJB-7688-201TRL （国际标准化组2（美国国防部）（美国宇航局）（欧洲宇航局）织）装备 TRL定义1发现和报告技术

14、发现和报告技术发现和报告技术发现和报告技术提出基本原理基本原理基本原理基本原理基本原理并正式报告Basic principlBasic principleBasic principleBasic principle1es observed ans observed ands observed ands observed andd reportedreported.reportedreported2阐明技术概念和阐明技术概念和阐明技术概念和阐明技术概念和提出概念和应/ 或应用/ 或应用/ 或应用/ 或应用用设想Technology conTechnology concTechnology con

15、cTechnology conc2cept and/or apept and/or applept and/or applept and/or applplication formication formulaication formulaication formulaulatedtedtedted通过分析和实验通过分析和实验通过分析和实验通过分析和实验完成概念和应对关键功能和 /对关键功能和 /对关键功能和 /对关键功能和 /3用设想的可行或特性进行概念或特性进行概念或特性进行概念或特性进行概念性验证验证验证验证验证Analytical andAnalytical andAnalytical

16、 andAnalytical andexperimentalexperimental crexperimental crexperimental cr3critical functitical functionitical functionitical functionion and/or chaand/or charactand/or charactand/or charactracteristic preristic proof oeristic proof-oeristic proof-ooof-of-conceptf conceptf-conceptf-concept实验室环境下的实验

17、室环境下的实验室环境下的实验室环境下的以原理样品或部件为载体完4部件和 / 或原理部件和 / 或原理部件和 / 或原理部件和 / 或原理成实验室环境样件的功能验证样件的验证样件的验证样件的验证验证Component and/Component and/oComponent and/oComponent and/oor breadboardr breadboard var breadboard var breadboard vafunctional ver4lidation in a llidation in lablidation in labification in laboratory e

18、nviroratory environoratory environaboratory envionmentmentmentronment一种相关环境下一种相关环境下相关环境下的部相关环境下的部以模型样品或的部件和 / 或原部件为载体完5的部件和 / 或原件和 / 或原理样件和 / 或原理样理样件的关键功成相关环境验理样件验证件验证件验证能验证证Component and/Component and/oComponent and/oComponent and/oor breadboardr breadboard var breadboard var breadboard va5critical

19、 functlidation in a rlidation in rellidation in relion verificatielevant environevant environmeevant environmeonmentntntin a relevantenvironment在相关环境下用6 模型演示技术单元的关键功能Model demonstr ating the critical functions6of the element in a relevant environment用模型演示技术7 单元在使用环境下的性能Model demonstr ating the eleme

20、nt performanc7e for the operational environment相关环境下系统相关环境下系统相关环境下系统以系统或分系/ 子系统模型或/ 子系统模型或统原型为载体/ 子系统模型或原型验证（地面原型验证（地面完成相关环境原型验证或空间）或空间）验证System/subsysteSystem/subsystSystem/subsysteem model or prm model or protm model or protototype demonsotype demonstraotype demonstratration in a rtion in a relevt

21、ion in a relevelevant enviroant environmentant environmentnment (ground(ground or spaor space)ce)系统原型在使用系统原型在空间系统原型在空间以系统原型为载体完成典型环境下演示验证环境下演示验证环境下演示验证使用环境验证System prototypSystem prototypSystem prototype demonstratione demonstratione demonstrationin an operatioin a space envin a space envnal environ

22、mentironmentironment实际系统完成，实际系统完成，完成实际系统，实际系统完成，并通过试验和验并通过试验和验以实际系统为8并获准飞行（由并通过试验和验证获得“飞行资证获得“飞行资载体完成使用飞行资质）证获得资质质”（地面或空质”（地面或空环境验证间）间）Actual systemActual system cActual systemActual system ccompleted andompleted and “fcompleted andompleted and qu“flight qualilight qualifie8accepted for falified thr

23、oughfied ” throughd” through teslight ( “flightest and demontest and demont and demonstrat qualified ”) strationstration (groution (ground ornd or space)space)实际系统通过成实际系统通过成实际系统通过成实际系统通过成实际系统成功9功执行任务而得功执行任务得到果执行任务得到果执行任务得到完成使用任务到“飞行验证”验证“飞行验证”“飞行验证”Actual systemActual system pActual systemActual sys

24、tem“flight prove“flight prove“flight proveroven through s9n” through sun” through sucn” through sucuccessful missiccessful missicessful missioncessful missionon operations.on operationsoperationsoperations（二）工程术语的定义TRL的目的就是一种通用语言，科研人员与管理人员之间、机构与机构之间、国家与国家之间，由于科研流程和工程术语的差异，给TRL的推广应用造成了极大的不便。表3 给出了 4

25、套 TRL定义中各级在技术载体方面工程术语的对比，从中不难看出， 各个机构的工程术语都是符合其自身科研流程的一套成体系的术语集。以美国而言， DoD与 NASA在 TRL6TRL7都采用了不同的术语，同样， NASA与 ESA在 TRL1TRL9更是自成体系。 故而，规范 TRL中涉及的工程术语， 消除因其而带来的不利影响，就成为各家规范和标准中的主要任务之一。表 3 世界各国在 TRL中的技术载体工程术语对比（中英文对照）TRLISODoDNASAESAGJB-76881Paper（纸面）Concept/inventiBreadboard Mode2Concept（概念）Concept（概念

26、）l (BB) （原理样件on（概念 / 发明）模型）Proof-of-conceProof-of-conceProof-of-conceElegant Breadbo3ard (EB) （简化原pt （概念验证）pt （概念验证）pt （概念验证）理样件）Breadboard （原Breadboard （原Breadboard(low-Engineering Mod4fidelity) （中等el (EM) （工程模原理样品理样件）理样件）逼真度原理样件）型）Brassboard(mid-Engineering QuaBreadboard （原Breadboard （原lification

27、Mode5fidelity) （中等模型样品理样件）理样件）l (EQM) （工程鉴逼真度原理样件）定模型）System/subsystePrototype(scalProto/ Flight Mm model or prot系统 / 分系6Model( 模型 )ed form/fit)odel （原型 / 飞行otype （系统 / 子系统原型（缩比原型）模型）统模型或原型）Engineering uniRepresentative7Model （模型）System prototypt(high-fidelitin orbit demons系统原型e（系统原型）y) （高逼真度工程trati

28、on （典型在单元）轨演示验证）In orbit demonsActual systemActual systemMission configtration of comp8uration （任务配lete system （全实际系统（实际系统）（实际系统）置）系统的在轨演示验证）Actual systemActual systemActual missionOperational sys9tem in orbit （在实际系统（实际系统）（实际系统）（实际任务）轨运行系统）DoD为规范 TRL评价，特意针对原理样机、高逼真度、低逼真度、模型、使用环境、原型机、相关环境、模拟使用环境等 8 个

29、术语进行了明确界定。 ESA更是在其 TRL手册中详细定义了46 个工程术语，包括： 3 个通用类（高逼真度、低逼真度等）、6 个硬件类（零件、部件、系统等）、3 个环境类（实验室环境、使用环境等）、5 个试验类（试验台、仿真台、验证等）和 29 个研发类术语（原理样件、模型、原型等）。 ISO 标准在工程术语方面，考虑到其作为国际性标准，用户范围非常广，类型也非常多（这一点与 DoD涉及到航空、航天、舰船、核、兵器、电子等非常相似），通用性是首要考虑的因素。同时，由于是针对航天器的标准，又要兼顾专业性，在一定程度上体现航天技术专业特色。因此，ISO 标准中对 DoD和 ESA提出的工程术语进

30、行了折衷，在 DoD基础上进行了细化， 同时在 ESA基础上进行了综合，共提出了 21 个工程术语。从中不难看出，除了TRL6和 TRL7级更突出强调是技术的模型外，ISO标准基本还是以DoD的定义为参考依据。（三）评价准则早期的 NASA和 DoD都以 TRL定义作为判定某项技术的TRL的准则，美国空军实验室（AFRL）以TRL计算器的形式推出了一套详细的涵盖TRL、 MRLs和 PRLs（项目管理成熟度等级）的评价准则，并为 DOE、DHS、NASA广泛借鉴，而 ESA在其 TRL手册则采用一系列关键问题作为评价准则。不难看出，仅靠 TRL定义是很难实现复杂系统研制项目中某项技术的TRL 的精确评定。 因