技术成熟度评估在航空材料开发中的应用微电子

技术成熟度评估在航空材料开发中的应用

技术成熟度评估在航空材料开发中的应用 2011： 材料是现代航空武器的物质基础和技术先导，对现代航空武器的研制成败具有重大的影响，因此它的技术成熟度等级的评估无论是对材料本身的研制还是对相关产品开发都越来越显示出重要的作用。“技术成熟度等级（TRL）”的划分“技术成熟度等级”的概念是NASA于1989年提出并用作评估的工具。起初这个成熟度为7级，1995年修订为9级。2002年被美国国防部纳入武器采办条例中，并在2005年正式定为9级。目前技术成熟度的概念已在国际上得到采用，例如加拿大以及日本等国。现在一个国际工作小组已试图提出国际技术成熟度的协议。同时，也派生出一些专门的技术成熟度等级，如“设计成熟度”、“材料成熟度”、“工艺成熟度”、“无损检测成熟度” 以及“制造成熟度”等。作为NASA及美国国防部的技术成熟度的第3次修订是NATO的10级技术成熟度的出台，它是在9级之前加上一个0级技术成熟度。美国国防部强调制造在武器开发中的作用，制订了也是10级的“制造成熟度”，与9级技术成熟度并用，相互补充。

“技术成熟度”等级只是提供一种技术在转入武器系统中的技术成熟性以及应用风险的一种通用语言和通用标准，因此必然留下大量的问题有待回答。需要进一步细化，由此产生了“x RL”成熟度，称为子系统成熟度。例如，复合材料的纤维、树脂、预浸料工艺、工具、固化以及后固化等步骤。技术成熟度等级、制造成熟度等级与武器开发的关系。1~4级成熟度为第一阶段，在该阶段内提出武器解决方案并进行分析；5~6级成熟度等级为第二阶段，与武器装备的技术开发相对应，在实验室内进行组件的验证评估，从第7级成熟度进入产品的工程及制造开发计划；经8~9级成熟度，进入生产及服役。1~2级成熟度的材料尚属于基础研究阶段，一般在大学进行研究。3~6级转入研究所实验室研究，评估是否可转入武器系统。在美国，武器用1~2级成熟度的材料由AFOSR（美国空军科学研究办公室）负责资助提交给大学开展基础研究，3~4级成熟度的材料由AFOSR负责转移到AFRL（美国空军实验室）或DARPA的实验室开展应用基础研究，6级以上将提供给武器装备计划中进行工程开发。在法国，1~2 级成熟度的工作也是在大学开展，EADS负责3级成熟度的概念验证工作，4级以上由空客的各公司实施。一般6级以上才能进入产品开发。材料技术成熟度与产品技术成熟度之间的关系航空材料的成熟度与产品的成熟度有着密切的关系，也就是说，材料的开发是面向产品的，只有实现了材料与发动机研发的密切互动，才能协调技术、投资以及研制周期，以取得良好的经济及技术效益。表1 为材料技术与产品研发阶段的对应关系。其中，TRL3为材料技术可行性研究结束阶段，TRL6为技术验证阶段结束，TRL9为技术成熟阶段。在投资方面，TRL3大约需100万美元，TRL6和TRL9分别增加1个数量级，材料供应商的投资可达到1亿美元。1台发动机成本约需10~20亿美元，TRL6与TRL9之间一般为2~3年，TRL3与TRL6之间一般少于1年。理想的安排是材料的9级（TRL9）与发动机的6 级（TRL6）对应，这样可让发动机的TRL6~TRL9之间缩短为24个月。材料开发与发动机开发应互动交流信息，其目的是保证确定出适当的试验验证、设计技术的开发及工程制造以及检测方法。

根据经验，一种材料如果不以客户需求为导向，材料开发与产品开发在成熟度上不匹配，研制周期将长达10年。反之，加强供需双方的联系，可缩短到2~3年。“技术成熟度等级”的评估（TRA）方法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，但只根据技术成熟度的定义，往往不能明确地标定技术成熟度的等级，还有待对技术成熟度进行细化，方能更具体地进行评价。本文拟根据国外所做的一些评估案例进行相关分析。

1 案例1：技术成熟度在DARPA 的“低成本复合材料”项目评估中的应用。技术成熟度的评估在DARPA的“低成本复合材料”项目中的应用是一个典型例子。与每一个DARPA项目一样，对该项目给出了技术成熟度等级。表3中所列的成熟度等级是根据所占有的信息量及已有的经验确定的。1~2级表明在材料表征、试验以及缩比件（形状较平板复杂并比试样大）以及全尺寸件开发的各方面的技术均缺少。3~4级成熟度表明只生产了试样，有必要进行试验并用较大的部件对材料进行验证。5~7级表明成本模型有待验证。同时也需用全尺寸及缩比件进行试验来验证成本模型。8~10级表明有小的不足，但技术足够成熟可用于生产。要评估“低成本复合材料”计划各项目的技术成熟度，还必须识别影响成熟度的一些因子。由于该计划是面向军用航空的，选用了J.W.Lincoln在飞机结构技术从实验室转入全尺寸开发时所需识别的5个因子，包括稳定的材料及其工艺、可生产性、经表征的力学性能、结构性能的可预测性以及结构保障性（可维修性及可检测性），同时加上材料可供应性、取得认证的设计及成本分析、质量保证程序的开发以及经验证的经济可承受性。将这些因子归并整理得出8个影响成熟度的因子，分别为：·有可以应用的、经表征的材料；·稳定的材料及工艺；·制造出几何复杂形状的实验室缩比件；·寿命预测模型以及适于部件及缩比件的力学性能；·设计及成本对比分析得到认可，并开发出质量保证程序；·全尺寸部件的可生产性以及试验；·结构可维修性以及可检测性（保障性）；·经过验证的经济可承爱性。表4所列为DARPA的低成本复合材料计划中的各项目技术成熟度等级评估的汇总表。该表给出DARPA 低成本复合材料各项目的技术成熟度的评审结果。从表中所列成熟度的等级可以看出该项目中有3项技术仍不成熟，分别是电子束固化、热固性复合材料胶接技术以及IATA（低成本一体化机体技术），其中某些成熟度因子的等级在1~2范围内。低温固化工艺的等级也低，原因是该工艺是新近开展的，评估时收集到的信息不够多。

电子束固化、胶接技术以及IATA的进步不快，部分原因归咎于DARPA的资助决策。但技术问题也是影响原因。对于电子束固化技术，在开展缩比件试验之前本就应该开发出来合适的树脂材料，但在项目开始前尚未获得该树脂。胶接项目表明，热固性树脂仍可进行感应加热，但不具备航空质量要求。在电子束固化项目中，虽然生产了一个大的构件，但未试验其是否满足设计要求。对热塑性复合材料感应加热、精密装配等项目，DARPA的资助决策有中等影响，但仅取得一些进展。热塑性复合材料项目，丝束铺放的成本模型表明可节约33%，但未对全尺寸部件进行验证。材料及工艺经过了加热表征，但未制出缩比件或全尺寸部件来验证成本模型。在精密装配项目中，只为一种材料开发了材料变异性数据库，但未指出这些数据能否用于其他材料系统。具有较高技术成熟度等级的有快速RTM、工装项目，但未完成全尺寸试验。尽管未进行风扇出口机匣及风扇叶片的全尺寸试验，但制造了7个风扇出口机匣，并显示出成本低于传统方法。未完成成本模型验证的还有风扇进口机匣、风扇叶片和快速RTM。风扇进气机匣满足轻量化要求，但不满足经济性要求。最成熟的技术是固化成形工艺、丝束铺放机能力验证，以及风扇整流舱门。这些技术只有一些小缺陷。固化成形设计指南将转入F-16及洛·马公司的生产中。丝束铺放的技术成熟度达到8级或更高，是DARPA项目中最成熟的技术。不过这种技术已成熟多年，用在多项飞机生产中。该项技术将继续发展成为航空工业更广泛应用、风险更低的工具。在DARPA的项目中，有2个成熟度因子即保障性及经济可承受性的等级范围仅达到低到中级，在这些项目中，对于维修及检验未加以充分重视，因此无可靠的试验方法及修理工艺，复合材料应用将受到限制。可靠性及经济可承受性的验证要用全尺寸验证件进行验证。一些部件将在JSF的发动机验证试验中进行。若无全尺寸数据，即使成本低、可提高系统性能，仍属于不成熟，会带来高度风险。评估后分析工作表明，虽然大部分项目受到DARPA的资助决策的影响，所有项目将在其重新修订计划中完成可行性验证。在所有项目中，丝束铺放机能力验证、固化成形工艺以及风扇整流罩门的等级最高，将转入工程应用项目。风扇叶片以及风扇进气机匣将在JSF项目中继续改进，以达到更高的等级。精密装配、电子束固化以及丝束铺放技术在其他项目中得到支持，存在的问题是资金是否足以使等级得到明显提升。具有成本降低潜力的、仍不成熟的，但得到支持的有感应加热、IATA、低成本工装、风扇出口机匣以及风扇包容环。从以上案例分析可以看出，对于技术类项目，如果技术成熟度因子为1~2级的有1/2以上，则视为不成熟。对于产品类项目，如果技术成熟度影响因子有一个小于5 即视为不成熟。对于成熟度影响因子8以上超过1/2的技术类及产品类项目，均可视为足够成熟，其余视为中等成熟。2 案例2：技术成熟度在材料无损检测技术评估中的应用。技术成熟度在材料无损检测技术评估上的应用是另1个例子。NASA的无损检验工作小组用9级技术成熟度对各种无损检测技术进行了评估。

表中所列“传统”及“先进”方法的区别是在信息处理中是否采用计算机数字技术。例如传统的热成像技术系指用红外照相机取得的图像，而先进的热成像是指用先进的计算机软件来分析结构红外辐射图像并提供结构的热迁移或扩散系数图。而结构的热扩散系数在确定损伤程度方面比相应的温度分布更可靠。除了NASA的无损检测组的技术成熟度评估外，作为二级评估标准，有的公司也制定了无损检测技术评估等级标准，如美国Aerospace公司标准，它只分6级。1级—已识别潜在的无损检测方法；2级—方法已经验证；3级—已选择出能识别的缺陷及无损检测方向；4级—已识别并验证了方法论；5级—已验证了标准化；6级—检验方法已建立，并验证结果有重复性，对检验有信心。

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