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月正式岀版了由欧洲宇航局/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提岀技术成熟度等级（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 TRL定义及描述。这一科研管理工具

2、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等萌生了通过制定ISO标准来统一规范的设想，经过充分酝酿，

3、 成立了由ESA/ESTEC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 岀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，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

4、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

5、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，已经识别岀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 Roentgen 发现了 X射线。1911年，Onnes发现了超导电性，即某种物质在一定温度条件下

6、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”病毒的两倍实验室环境下的部件和/或原理样件的通过实验室环境下的原理功能验证（verific样件试验验证功能性。ation ）相关环境下的部件 和/或原理样件的关 键功能验证（verification ）识别技术单元的关键功能， 定义与之相关的相关环境。 建造用于在相关环境下验 证性能的原理样件（非全尺 寸），受制于尺寸效应。在相关环境下用模型演示技术单元的关键功能验证技术单元的关键功能，

7、在相关环境下通过典型模 型（外形、安装、功能）演 示性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求（可瞄向几 个任务）连带功能性能需求的 定义技术单元的概念设计 功能性能试验计划 定义用于功能性能验证 的原理样件原理样件试验报告性能需求和相关环境的初步定义识别和分析技术单元的关键功能对技术单元进行初步设计，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告性能需求和相关环境的定义识别和分析技术单元的关键功能对技术单元进行设计，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，分析缩放比效应用于验证关键功能的模型定义模型试验报告7 用模型演示技

8、术单在地面或空间环境下演示 性能需求定义，包括使用三、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、评价流程等方面进行对比分析。(一) TRL定义这4套TRL定义的主要差异集中于 TRL4TRL沖技术载体、验证环境等术语上，具体如下：1、ESA直接沿用了 NASA勺TRL定义；DoD则

9、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TRL4TRL8TRL4 由“确认(validation ) ”修改为“功能验证(verification) ”。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(de

10、monstration )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TRL1TRLS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，也不难看岀，在对各国工程术语进行统一

11、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）TRLISO（国际标准化组织）DoD（美国国防部）NASA（美国宇航局）ESA（欧洲宇航局）GJB-7688-2012装备TRL定义1发现和报告技术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

12、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 concTechnology conc2cept and/or apept and/or applept and/or applept and/or applplication formication formulaication fo

13、rmulaication formulaulatedtedtedted3通过分析和实验 对关键功能和/ 或特性进行概念 验证通过分析和实验 对关键功能和/ 或特性进行概念 验证通过分析和实验 对关键功能和/ 或特性进行概念 验证通过分析和实验 对关键功能和/ 或特性进行概念 验证完成概念和应用设想的可行性验证Analytical andAnalytical andAnalytical andAnalytical andexperimentalexperimental crexperimental crexperimental cr3critical functitical functionit

14、ical functionitical functionion and/or chaand/or charactand/or charactand/or charactracteristic preristic proof oeristic proof-oeristic proof-ooof-of-conceptf conceptf-conceptf-concept4实验室环境下的部件和/或原理样件的功能验证实验室环境下的部件和/或原理样件的验证实验室环境下的部件和/或原理样件的验证实验室环境下的部件和/或原理样件的验证以原理样品或 部件为载体完 成实验室环境 验证Component and/

15、Component and/oComponent and/oComponent and/o4or breadboardr breadboard var breadboard var breadboard vafunctional verlidation in a llidation in lablidation in labification in laboratory enviroratory environoratory environaboratory environmentonmentmentment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

16、为载体完5理样件的关键功的部件和/或原件和/或原理样件和/或原理样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 vacritical funct5lidation in a rlidation in rellidation in relion verificatielevant environevant environmeevant environmeon in a re

17、levamentntntnt environment相关环境下系统相关环境下系统以系统或分系在相关环境下用相关环境下系统/子系统模型或/子系统模型或统原型为载体6模型演示技术单/子系统模型或完成相关环境原型验证（地面原型验证（地面元的关键功能原型验证或空间）或空间）验证System/subsystSystem/subsysteModel demonstrSystem/subsysteem model or prm model or protating the critm model or protototype demonsotype demonstraical functionsotype

18、demonstra6of the elemention in a relevtration in a rtion in a relevelevant enviroant environmentt in a relevanant environmentnment (ground(ground or spat environmentor space)ce)用模型演示技术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7单元在使用环境环境下演示验证环境下演示验证环境下演示验证载体完成典型下的性能使用环境验证Model demonstrSystem prototypating the elemS

19、ystem prototypSystem prototype demonstrationent performance demonstratione demonstration7in an operatioe for the opernal environmentin a space envin a space envational enviroironmentironmentnment8完成实际系统，实际系统完成，实际系统完成，实际系统完成，以实际系统为并获准飞行（由并通过试验和验并通过试验和验并通过试验和验载体完成使用飞行资质）证获得资质证获得“飞行资证获得"飞行资质”（地面或空

20、间）环境验证质”（地面或空间）Actual systemActual system cActual systemActual system ccompleted andompleted and " fcompleted andompleted and qu"flight qualilight qualifie8accepted for falified throughfied ” throughd” through teslight ("flightest and demontest and demont and demonstrat qualified"

21、;)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 system“flight proveroven through s"flight prove"flight prove9n" through suuccessful missin

22、" through sucn” through succcessful mission operations.cessful missioncessful missionon 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给岀了 4套TRL定义 中各级在技术载体方面工程术语的对比，从中不难看岀，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T

23、RL6TRL裔采用了不同的术语，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）2Concept （概念）Concept （概念）Concept/invention （概念/发明）Breadboard Model （BB）（原理样件模型）3Proof-of-concept （概念验证）Proof-of-concept （概念验证）Proof-of-concep

24、t （概念验证）Elegant Breadbo ard （EB）（简化原理样件）4Breadboard （原理样件）Breadboard （原理样件）Breadboard（low- fidelity）（中等逼真度原理样件）Engin eeri ng Mod el （EM）（工程模型）原理样品5Breadboard （原理样件）Breadboard （原理样件）Brassboard（mid- fidelity）（中等逼真度原理样件）Engineering Qua lification Mode l （EQM）（工程鉴定模型）模型样品6Model（模型）System/subsyste m mode

25、l or prot otype （系统/子系统模型或原型）Prototype（scal ed form/fit）（缩比原型）Proto/ Flight Model （原型/飞行模型）系统/分系统原型7Model （模型）System prototype （系统原型）Engineering unit（high-fidelity）（高逼真度工程单元）Representative in orbit demons tration（典型在轨演示验证）系统原型8Actual system（实际系统）Actual system（实际系统）Mission config uration （任务酉己In orbi

26、t demons tration of comp实际系统置）lete system （全系统的在轨演示验证）9Actual system（实际系统）Actual system（实际系统）Actual mission（实际任务）Operational sys tem in orbit （在轨运行系统）实际系统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

27、、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步及到航空、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提岀的工程术语进行了折衷， 在DoD基础上进行了细化，同时在ESA基础上进行了综 合，共提岀了 21个工程术语。从中不难看岀，除了 TRL6和TRL7级更突岀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计算器的形式推岀了一套详细的涵盖 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。不难看岀， 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。因此，各个机构都