航天系统技术成熟度等级及评价准则定义

1、航天系统技术成熟度等级及评价准则定义国际标准化组织（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

2、天项目的 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（UK MOD ）、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、CNE

3、S、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，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

4、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，最后就技术成熟度评价中易引起误

5、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

6、 X射线。1911年，H.Kamerlingh Onnes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各级要点给岀了 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定义需完成的重要活动/实现的状态取得的工作成果（文档）1发现

7、和报告技术基本原理通过基础性观察活动确定 潜在应用，但尚未形成技术 单元的概念。描述意图应用的基本原理确定潜在应用2阐明技术概念和/或应用形成潜在应用和初步的技 术单元概念，但尚未验证。系统阐述潜在应用进行技术单元的初步概 念设计，提出基本原理的应 用设想3通过分析和实验对关键功能和/或特性进行概念验证详细描述技术单元概念，通 过由实验（经验）数据/特 性支撑的分析模型演示预 期性能。初步性能需求（可指向 多个任务）中包含功能性能 需求的定义技术单元的概念设计作为输入的实验（经验） 数据、实验室试验的定义， 以及试验结果用于概念验证的技术单 元分析模型4实验室环境下的部 件和/或原理样件的 功

8、能验证（verification ）通过实验室环境下的原理 样件试验验证功能性。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5相关环境下的部件 和/或原理样件的关键功能验证（verifi cation ）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。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6

9、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， 在相关环境下通过典型模 型(外形、安装、功能)演 示性能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用模型演示技术单元在使用环境下的性能在地面或空间环境下演示 使用环境下的性能。建造并 试验能够反映飞行模型设 计的所有因素的典型模型， 为在使用环境中演示性能 留足余量。性能需求定义，包括使用环境定义模型定义与实现模型试验计划模型试验结果8完成实际系统，并获准飞行(由飞行资质)飞行模型

10、通过鉴定，并集成 到整装待飞的最终系统中。建造飞行模型，并集成到最终系统获得最终系统的飞行许可9实际系统通过成功执行任务而得到飞行验证”技术成熟了。技术单元成功 开始服役，在实际使用环境 中执行飞行任务。运行初期阶段的试运转在轨运行报告三、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、

11、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 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(verification )

12、”。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 元）以不同的载体形式（原理样件、模型样件、模

13、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

14、理基本原理基本原理基本原理并正式报告Basic principlBasic principleBasic principleBasic principle1es observeds observed ans observed ans observed anand reportedd reported.d reportedd reported2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/或应用咸应用/或应用咸应用用设想Technology cTechnology coTechnologycoTechnologyco2oncept and/orncept and/or a

15、ncept and/or ancept and/or aapplication fpplication formpplication formpplication formormulatedulatedulatedulated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用设想的可行性验证验证验证验证验证Analytical andAnalytical andAnalytical andAnalytical andexperimentalexperimenta

16、lcexperimentalcexperimentalc3critical functiritical functionritical functionritical functionon and/or chaand/or characand/or characand/or characracteristic proteristic proof oteristic proof-oteristic proof-oof-of-conceptf conceptf-conceptf-concept以原理样品或:实验室环境下的实验室环境下的实验室环境下的实验室环境下的部件为载体完4部件和/或原理部件和/

17、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 aComponent anComponent anComponentannd/or breadbod/or breadboard/or breadboard/or breadboarard functional4verification id validationind validationind validationina laboratory elaboratoryenlaboratoryenn laboratory environmentvironmentvironmentn

18、vironment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 aComponent anComponent anComponentan5nd/or breadbod/or breadboard/or breadboard/or breadboarard critical fud validation ind validation ind validation innction verificaa relevant enrel

19、evant envirrelevant envirtion in a relevant environmentvironmentonmentonment6在相关环境下用模型演示技术单元的关键功能相关环境下系统/子系统模型或原型验证相关环境下系统/子系统模型或 原型验证（地面 或空间）相关环境下系统/子系统模型或 原型验证（地面 或空间）以系统或分系 统原型为载体 完成相关环境 验证6Model demon strating the c ritical functio ns of the ele ment in a rel evant environ mentSystem/subsys tem

20、model or prototype dem onstration in a relevant envir onmentSystem/subsy stem model o r prototype d emonstration in a relevant environment (ground or sp ace)System/subsys tem model or prototype dem onstration in a relevant envir onment (groun d or space)7用模型演示技术单元在使用环境下的性能系统原型在使用环境下演示验证系统原型在空间环境下演示验

21、证系统原型在空间环境下演示验证以系统原型为载体完成典型使用环境验证7Model demon strating the el ement perfor mance for the operational e nvironmentSystem prototy pe demonstrati on in an opera tional environ mentSystem prototy pe demonstrati on in a space environmentSystem prototy pe demonstrati on in a space environment8完成实际系统，并获准飞行

22、（由飞行资质）实际系统完成，并通过试验和验证获得资质实际系统完成， 并通过试验和验 证获得飞行资 质”（地面或空 间）实际系统完成， 并通过试验和验 证获得飞行资 质”（地面或空 间）以实际系统为载体完成使用环境验证8Actual system completed a nd accepted f or flight ( “flig ht qualified ”)Actual system completed and qualified thro ugh test and d emonstrationActual system completed a nd “ flight qua lified

23、through test and de monstration _ (ground or sp ace)Actual system completed and“ flight qualifie d” throug h tes t and demonst ration (ground or space)9实际系统通过成功执行任务而得到飞行验证”实际系统通过成功执行任务得到验证实际系统通过成果执行任务得到飞行验证”实际系统通过成果执行任务得到飞行验证”实际系统成功完成使用任务9Actual system“flight prove n” through su ccessful missiActual

24、 system proven throug h successful mission operatActual system“ flight proven ” through succ essful missionActual system“flight proven ” through succ essful missionon operationsions.operationsoperationsL（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T

25、RL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）TRLISODoDNASA|ESAGJB-76881Paper （纸面）2Concept （概念）Concept （概念）Concept/invention （概念/发明）Breadboard Mod

26、el （BB）（原理样件模型）3Proof-of-concept （概念验证）Proof-of-concept （概念验证）Proof-of-concept （概念验证）Elegant Breadboard （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 ngModel （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

27、 Qu alification Mode l （EQM）（工程鉴定模型）模型样品6Model（模型）System/subsyst em model or p rototype （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 uni t（high-fidelity）（高逼真度工程 单元）Representative in orbit demon stration（典型在轨演示验证）系

28、统原型8Actual system（实际系统）Actual system（实际系统）Mission config uration （任务酉己置）In orbit demon stration of com plete system （全系统的在轨演示 验证）实际系统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

29、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