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技术成熟度评估在航空材料开发中的应用
newmaker    来源:航空制造技术
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