航天系统技术成熟度等级及评价准则定义.docx
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航天系统技术成熟度等级及评价准则定义
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ISO16290，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、ISOTRL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、ISOTRL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TRL1~9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WilliamConradRoentgen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1ISO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（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。
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
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NASA1995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TRL4~TRL8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TRL6~TRL9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TRL4~TRL8：
●TRL4，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（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TRL1~TRL9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TRL7~TRL8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）
TRL
ISO
（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
发现和报告技术基本原理
发现和报告技术基本原理
发现和报告技术基本原理
发现和报告技术基本原理
提出基本原理并正式报告
1
Basicprinciplesobservedandreported
Basicprinciplesobservedandreported.
Basicprinciplesobservedandreported
Basicprinciplesobservedandreported
2
阐明技术概念和/或应用
阐明技术概念和/或应用
阐明技术概念和/或应用
阐明技术概念和/或应用
提出概念和应用设想
2
Technologyconceptand/orapplicationformulated
Technologyconceptand/orapplicationformulated
Technologyconceptand/orapplicationformulated
Technologyconceptand/orapplicationformulated
3
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
3
Analyticalandexperimentalcriticalfunctionand/orcharacteristicproof-of-concept
Analyticalandexperimentalcriticalfunctionand/orcharacteristicproofofconcept
Analyticalandexperimentalcriticalfunctionand/orcharacteristicproof-of-concept
Analyticalandexperimentalcriticalfunctionand/orcharacteristicproof-of-concept
4
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
4
Componentand/orbreadboardfunctionalverificationinlaboratoryenvironment
Componentand/orbreadboardvalidationinalaboratoryenvironment
Componentand/orbreadboardvalidationinlaboratoryenvironment
Componentand/orbreadboardvalidationinlaboratoryenvironment
5
一种相关环境下的部件和/或原理样件的关键功能验证
一种相关环境下的部件和/或原理样件验证
相关环境下的部件和/或原理样件验证
相关环境下的部件和/或原理样件验证
以模型样品或部件为载体完成相关环境验证
5
Componentand/orbreadboardcriticalfunctionverificationinarelevantenvironment
Componentand/orbreadboardvalidationinarelevantenvironment
Componentand/orbreadboardvalidationinrelevantenvironment
Componentand/orbreadboardvalidationinrelevantenvironment
6
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
6
Modeldemonstratingthecriticalfunctionsoftheelementinarelevantenvironment
System/subsystemmodelorprototypedemonstrationinarelevantenvironment
System/subsystemmodelorprototypedemonstrationinarelevantenvironment（groundorspace）
System/subsystemmodelorprototypedemonstrationinarelevantenvironment（groundorspace）
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
7
Modeldemonstratingtheelementperformancefortheoperationalenvironment
Systemprototypedemonstrationinanoperationalenvironment
Systemprototypedemonstrationinaspaceenvironment
Systemprototypedemonstrationinaspaceenvironment
8
完成实际系统，并获准飞行（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
8
Actualsystemcompletedandacceptedforflight（“flightqualified”）
Actualsystemcompletedandqualifiedthroughtestanddemonstration
Actualsystemcompletedand“flightqualified”throughtestanddemonstration（groundorspace）
Actualsystemcompletedand“flightqualified”throughtestanddemonstration（groundorspace）
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
9
Actualsystem“flightproven”throughsuccessfulmissionoperations
Actualsystemproventhroughsuccessfulmissionoperations.
Actualsystem“flightproven”throughsuccessfulmissionoperations
Actualsystem“flightproven”throughsuccessfulmissionoperations
（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TRL6~TRL7都采用了不同的术语，同样，NASA与ESA在TRL1~TRL9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）
TRL
ISO
DoD
NASA
ESA
GJB-7688
1
Paper（纸面）
2
Concept（概念）
Concept（概念）
Concept/invention（概念/发明）
BreadboardModel（BB）（原理样件模型）
3
Proof-of-concept（概念验证）
Proof-of-concept（概念验证）
Proof-of-concept（概念验证）
ElegantBreadboard（EB）（简化原理样件）
4
Breadboard（原理样件）
Breadboard（原理样件）
Breadboard（low-fidelity）（中等逼真度原理样件）
EngineeringModel（EM）（工程模型）
原理样品
5
Breadboard（原理样件）
Breadboard（原理样件）
Brassboard（mid-fidelity）（中等逼真度原理样件）
EngineeringQualificationModel（EQM）（工程鉴定模型）
模型样品
6
Model（模型）
System/subsystemmodelorprototype（系统/子系统模型或原型）
Prototype（scaledform/fit）（缩比原型）
Proto/FlightModel（原型/飞行模型）
系统/分系统原型
7
Model（模型）
Systemprototype（系统原型）
Engineeringunit（high-fidelity）（高逼真度工程单元）
Representativeinorbitdemonstration（典型在轨演示验证）
系统原型
8
Actualsystem（实际系统）
Actualsystem（实际系统）
Missionconfiguration（任务配置）
Inorbitdemonstrationofcompletesystem（全系统的在轨演示验证）
实际系统
9
Actualsystem（实际系统）
Actualsystem（实际系统）
Actualmission（实际任务）
Operationalsysteminorbit（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、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。
因此，各个机构都在致力于研究符合自身科研实际的、更为细化的评价准则。
而ISO标准中，将TRL中各级的要点（表1）作为评价准则，这与早期的NASA和DoD的做法基本一致，却有别于ESA和AFRL的做法。
究其原因，主要有两个方面：
（1）可操作性和难易程度方面。
作为国际性标准，对TRL定义进行规范已经是困难重重，若要制定出可操作的、详细的评价准则，不仅要规范工程术语，还要统一各国的科研流程，这是极为不现实的。
（2）实际效果方面。
评价准则必须要在通用性和专用性方面进行权衡，通用性过强，在实际操作过程中的专用性就欠佳，反之，通用性太差，其适用范围就受限。
因此，ISO选择这样一种先易后难、先点后面、循序渐进的思路来发展TRL系列标准，不失为一种非常巧妙、高明的策略。
（四）评价流程
DoD和ESA都通过其相关文件对TRL的评价流程进行了规范，其中最关键的步骤无疑就是确定具体的评价对象——技术单元（DoD称之为关键技术元素，CTE），而一次完整的技术成熟度评价还包含对一组技术单元实施评价，并形成报告。
考虑到各国的管理体系与机制、科研管理流程和
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