先进制造2026｜太空开发新纪元的“天工开物”——太空制造技术发展现状与展望（先进制造前沿第6期）

作 者

智能装备产业研究中心

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太空制造的概念界定

太空制造的概念

太空制造是指在地球大气层以外的太空环境下,使用携带材料或利用地外资源进行目标产品制造的技术过程。它颠覆了“地面造完、发射上天”的传统航天工程模式，既可以在轨道上按需制造备件与大型结构，也可在地外天体就地取材开展基建与生产，为太空任务补给提供了新的解决方案；同时，依赖于太空微重力、强辐照等环境条件，也为地球工业所需特殊材料、元器件等高附加值产品的制造创造了可预期的全新生产条件。

太空制造技术是提升人类太空活动能力、保障地外基地建设和可持续深空探测任务的战略性关键技术之一，也是各国竞相探索的前沿技术领域。

太空制造的特点

高精度、多功能

考虑到在空间后处理的难度,特别是航天员操作难度、航天器内对固液废弃物的限制,太空制造技术的直接成型精度应具备可直接使用或装配的水平。除空间站这类大型航天器外,一般航天器很难有空间容纳多台制造设备,太空制造技术应集成尽可能多的功能并对不同类型的材料具有一定的通用性，因此,材料、工艺和设备的多功能和通用性尤为关键。

小型化、低功耗

现阶段航天器平台的空间和能量（尽管航天任务中的能量来源是太阳能,未来可预期会出现核能,但大功率器件的使用会对航天器的供配电安全设计带来很大压力）是精密制造的重要限制因素，因此，太空制造必须在体积、重量和功耗等约束下，使设备满足制造过程中对运动精度、材料输送、环境控制和能量场精确操控等要求。

省材料、低释放

太空制造技术的基本要求是尽可能节省材料,同时所选材料最好可以循环利用。此外,在长期的航天任务特别是载人任务中,在太空空间添加吸附、过滤、排气等处理装置经济代价高昂，因此制造过程中释放的有害物质应得到严格的控制。

太空制造的技术分类

按技术执行的空间域区分，太空制造技术可以分为在轨制造和地外天体原位制造。这是太空制造技术最顶层的分类逻辑，直接决定了技术约束与资源禀赋的根本差异。在环地轨道环境中进行的制造称为在轨制造，可利用太空环境的独特优势进行特殊材料的合成和复杂结构的制造，尤其是在空间超大型结构的构建方面，在轨制造展现出巨大潜力。地外天体原位制造指的是在月球、火星或其他天体上直接利用现有资源制造产品，不仅可以充分利用地外资源，还能为未来宇宙探索提供必要支持。

表1：太空制造的技术分类对比

太空制造不同类型技术的现存难点

在轨制造

主要难点在于微重力环境下熔池由表面张力主导导致金属熔滴球聚、粉末漂浮失控——如同“用勺子盛太空中的水”，以及兼顾轻量化、抗振、柔性化、低功耗等需求，同时大型结构的机器人自主装配精度与协同控制仍面临挑战。

地外天体原位制造

现阶段难点在于星壤成分的不确定性、原位建造工艺的高能耗；以及在极端温差与辐射环境下，从资源开采到材料加工的完整链条难以闭环。

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太空制造的高端装备支撑体系

太空制造是极端环境下的“高端工业系统”，装备体系需适配微重力、高真空、强辐射、±150℃级温差等极端工况，覆盖从材料制备、资源提取到成形制造、运维保障的全技术链条。依据功能定位与作用范围的差异，整体可划分为以太空制造装备为核心，以太空通用支撑类智能装备和地面模拟验证实验装备为基石的三大环节。其中，太空制造核心装备是直接执行空间制造作业的功能主体，按照技术执行的空间域不同，可进一步划分为在轨制造装备与地外天体原位制造装备两大类，分别服务于环地轨道空间与地外天体表面两类制造场景，多以空间站舱内/舱外载荷、卫星搭载载荷、行星表面巡视/着陆载荷的形式部署，承担制造活动的核心执行功能。太空通用支撑类智能装备为全场景制造活动提供共性能力支撑，覆盖资源循环再生、全流程智能管控、构件性能维护等支撑环节。地面模拟验证实验装备则是空间装备工程化落地的前置验证载体，可在地面低成本复现太空极端环境，完成原型样机验证、工艺参数迭代与装备可靠性检验，大幅降低空间任务的试错成本与风险。“两核两基”四类装备共同构成覆盖“地面验证—空间作业—全流程保障”的完整太空制造技术装备体系。

在轨制造核心装备

在轨增材制造系列装备

在轨增材制造装备是当前工程化程度最高的太空制造载荷，按材料体系分为三类，分别是聚合物熔融沉积（FDM）在轨增材制造装备（AMF）、连续纤维增强复合材料在轨增材制造装备、金属在轨增材制造装备，均需针对微重力、真空环境做专项适配。

在轨等材成形装备

核心为复合材料桁架连续拉挤成形机，以预浸带/卷材为原料，通过连续拉挤配合固化工艺原位生产各类长尺寸桁架杆件，是支撑超大型空间结构在轨建造的核心装备。

在轨连接、装配与修复装备

依托真空环境天然适配性，可实现金属构件的高精度焊接与无碎屑切割，是在轨结构修复、资产回收的核心装备，主要包括空间电子束焊接/切割一体化装备、空间激光焊接装置、微损钎焊修复装置、在轨智能装配机器人（系统）等。典型代表如美国ThinkOrbital公司2024年发射的在轨电子束制造平台，Archinaut项目配套的多自由度机械臂系统。

地外天体原位制造核心装备

地外资源原位提取利用装备

该类装备以行星表面着陆器、巡视器为载体，核心目标是将地外本土资源转化为可用原料，现已研发出的装备主要有地外水资源原位提取装置（针对月球极区永久阴影区、火星地下的水冰资源，分为原位加热蒸发与钻取转移加热两条技术路线）、月壤矿物还原与制氧装备、火星CO₂原位制氧载荷。

地外设施原位建造装备

依据技术路线不同，主要分为星壤熔融成形装备、星壤粘结成形装备、星壤挤出成形装备。现已研发出的装备主要有美国ICON公司研发（受NASA项目资助）的行星表面增材建造系统、英国Monolite公司（受欧空局资助）研发的D-Shape成形系统等。

太空通用支撑类智能装备

材料循环回收装备

此类装备是构建太空制造资源闭环的核心支撑。NASA支持研制的Refabricator（在轨回收再制造一体机）是国际空间站首台集成聚合物回收与3D打印的闭环系统，可将废弃聚合物经机械粉碎、熔融挤出再生为打印丝材，再直接用于3D打印。

数字孪生与全流程智能管控系统

太空制造迭代成本极高、试错空间极小，数字孪生是核心支撑技术。高保真数字孪生模型通过整合物理实体、虚拟仿真、实时传感数据、功能模块与互联接口，实现微重力熔池行为仿真、工艺参数预判、故障预警及全生命周期运维管控，支撑"一次成功“的在轨制造工程目标。

智能检测装备

检测装备既保障太空制造产品的可靠性与安全性，也为建立太空制造标准体系提供数据支撑，是太空制造技术工程化应用的核心保障基础。在轨搭载检测类装备以空间站舱内/舱外载荷、卫星搭载载荷形式部署，天体原位搭载检测类装备以着陆器、巡视器、月面基地载荷形式部署，在真实空间环境中完成技术验证、过程与结构健康监测、构件缺陷与性能检测等必要工作。

地面模拟验证实验装备

地面模拟验证实验装备是太空制造技术成熟度提升的核心载体，可在地面以较低成本复现太空空间极端环境，完成原型样机设计与试验验证、工艺迭代、材料及装备可靠性检验，大幅降低试错风险。

空间环境综合模拟类装备

该类装备用于复现在轨环境与地外天体的低重力、低气压、极端温变、空间辐照、星壤等环境，论证太空制造核心装备装置的持续可靠运行，主要包括低重力与大气环境模拟舱、热真空环境试验舱、空间辐照/原子氧模拟装置、星壤环境模拟试验系统等。

专项工艺验证实验装备

根据不同的太空制造技术路径，对应定制的地面原理样机，可在真空/微重力模拟环境下开展工艺参数标定等工作，包括但不限于在轨增材制造工艺实验平台、在轨连接与修复工艺实验台、复合材料拉挤成形实验台、金属管材冷弯成形试验机、地外资源提取工艺实验台、星壤激光烧结实验机等。

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太空制造的应用展望

太空制造的应用场景

太空制造技术的最新突破逐步为火箭发射包络限制、深空任务高度依赖地面补给等传统瓶颈提供解决方案；进一步拓展太空制造的能力边界，为空间站自主运维、地外基地建设、超大型空间结构部署、太空高附加值产品反哺地球等应用场景提供了可预期的实现路径。

表2：太空制造应用场景展望

太空制造的近期关注热点

在轨制造：

大型结构建造

美国国防高级研究计划局DARPA将NOM4D（Novel Orbital and Moon Manufacturing,Materials,and Mass-efficient Design）第三阶段全部调整为轨道飞行验证，2026年发射两套在轨实验载荷：伊利诺伊大学液体单体原位聚合桁架系统、加州理工自主桁架机器人装配系统，目标突破运载包络限制，实现千米级天线、太阳能支撑结构太空制造。

地外天体原位制造：

外星基地建造

月壤变建材成为全球共识：月球没有大气、辐射强、温差极端，人员居住与设备防护需要完整基建，美国阿尔忒弥斯计划与欧洲月球村方案均将月壤原位建造列为核心任务。

“制造即服务”：

反哺地球工业

英国太空制造企业Space Forge于2025年发射全球首个商业在轨半导体制造卫星，将太空制造的边界从"结构件"拓展至"功能器件"，为超高纯度半导体量产提供了环境。

对不同太空制造技术的前沿探索

当前全球对太空制造技术的前沿探索呈现以下双轨并进的演进特征：在轨制造从成熟的聚合物增材制造逐步向金属增材制造、大型桁架连续成形、在轨连接修复等工程化能力进一步延伸；地外天体原位制造则围绕深空驻留的能源与生命保障需求，重点推进水资源原位提取、CO₂原位制氧、氦-3资源开发等核心技术攻关，开展基础研究与技术验证。

表3：对太空制造的前沿探索

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