0 引 言
太空制造是航天强国建设的核心支撑，是制造强国建设的重要延伸。太空制造概念的出现，标志着人类航天活动正由“进入太空、利用太空”向“开发太空、建设太空”加速演进，成为支撑未来空间基础设施构建、在轨资源开发与深空可持续探索的关键方向。随着空间站长期运行、深空探测和大型空间结构构建需求的增长，传统“地面制造-整体发射-一次性使用”模式在成本、尺寸和维护能力方面的局限日益突出。太空工厂通过将制造、装配、维护和回收环节延伸至轨道环境，为空间基础设施的按需建造和可持续运营提供了新路径[1-3]。本文从全生命周期视角，对相关关键技术与典型案例进行梳理和归纳，以期为太空工厂体系化设计与工程应用提供参考[4-5]。太空工厂（Factory in Space, FiS）作为未来空间基础设施的关键节点，其意义远超单一的制造能力演示。它代表着从“地面制造-发射”的线性模式，向“在轨服务、组装与制造”（On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing, OSAM）的网状生态系统的根本性转变。这一转变旨在构建一个多功能的、坚韧的、可持续的空间存在，不仅服务于空间系统自身的维护与扩展，更将为深空探索、空间资源利用乃至未来的空间经济奠定基础。因此，对太空工厂的审视，需超越传统工艺视角，将其置于涵盖技术、物流、经济与系统的完整框架之下[6]。
1 太空制造生命周期总览
1.1 太空工厂的系统属性
太空工厂并非孤立的生产单元，而是一个集成制造、装配、物流、维护与资源循环的复杂空间系统，太空制造技术在全生命周期中的主要环节及其相互关系如图1 所示，其全生命周期管理需直面由空间极端环境与远程操作带来的根本性约束：
首先，极长的技术迭代周期。太空制造工艺的验证严重依赖抛物线飞行、探空火箭等短期实验平台，每次完整的“设计-验证-优化”迭代可能长达数月甚至数年，这极大地制约了技术成熟度的提升速度；要求地面验证必须高度依赖高保真数字孪生与模拟。
其次，闭环生态的强制性。远离地球供应链，要求工厂必须实现最大程度的资源闭环。这不仅指材料回收，更涵盖将任务废弃物转化为有价值原料（如推进剂、打印材料）的废物价值化能力；这是构建可持续空间操作的经济与技术前提。
再次，模块化与系统集成的必要性。为适应发射约束、实现在轨扩展与灵活维护，模块化设计是贯穿工厂硬件、软件与操作流程的核心原则；标准化接口、可替换单元以及分布式节点的协同，是确保系统韧性、可扩展性和易维护性的关键。
最后，经济性与供应链视角。最终，太空工厂的可行性取决于其能否降低空间任务总成本、延长资产寿命、并创造新价值；这要求技术规划必须与物流管理、供应链弹性，以及商业模式进行协同设计。下文所述的生命周期各阶段技术，均需在上述系统级挑战的约束下进行发展与集成。
1.2 地面设计与验证
生命周期始于地面，此阶段的首要任务是进行适应性材料选择与体系建立。材料必须在空间极端环境中稳定工作，广义在轨制造材料包含高分子及复合材料、高性能金属合金、陶瓷与超高温材料、地外原位岩土矿物材料、电子能源功能材料、抗辐照防护材料、智能形变材料及太空生物医用材料。
设计的核心是面向制造与回收，这意味着从源头改变“制造-废弃”的线性思维，构建闭环。具体包括可回收性设计，即选用高比刚度/比强度、易回收材料，例如将某些包装设计为可回收再打印的自增强复合材料。可制造性设计，即充分考虑太空制造工艺（如增材制造）的约束，进行拓扑优化和自支撑设计。模块化与易拆卸设计，确保太空物体及其零部件便于在轨拆卸、修复及寿命终止后的材料回收。
1.3 发射上行与部署
将制造系统及其原料安全送入轨道是后续一切活动的基础，此阶段的技术要素聚焦于减重、抗振与安全封装，而天地往返高效运输技术则是连接地面与太空的关键纽带。传统航天器为抵抗发射过载（可达6~9 g）而过度强化结构，导致重量巨大，太空制造理念允许结构仅按微重力环境设计，从而大幅降低初始结构重量和原材料上行质量。当前天地往返运输技术正从一次性运载向可重复使用方向突破，如通过火箭垂直发射与水平滑翔着陆的组合模式，实现航天器的多次往返利用，显著降低单位有效载荷的运输成本。可重复使用火箭技术通过一子级回收与快速复用，目标将发射成本大幅降低，为太空工厂规模化运营提供经济可行性。其次是原材料的高密度、适应性包装，原料需以能承受发射力学冲击的形式上行。丝材、预浸带/卷材因其高包装密度、易存储和抗振特性成为首选。例如，使用拉挤卷材可比传统桁杆提高包装密度132%。此外还需考虑设备的可靠性与安全性，制造设备必须满足小型化、集成化、低功耗要求，并通过优化的机械设计（如加强筋、减震层）和严格的地面振动试验来确保其能承受发射段的剧烈冲击。同时，需严格控制多余物风险，防止材料泄漏污染。未来还将发展天地一体化运输网络，通过亚轨道飞行器与可重复使用火箭的协同，构建“太空班车”式常态化运输体系。
1.4 在轨运行与拓展
系统完成在轨部署后，将进入核心价值创造阶段，该阶段涵盖多元化制造工艺与协同作业模式。平台具备多工艺融合的在轨制造能力，其中在轨增材制造包含多种技术路径。熔融沉积成型可实现工具类零部件打印制备，电子束熔丝沉积适用于金属构件成型制造，连续纤维复合材料打印则面向大型整体结构成形。平台同时支持在轨对接与装配作业，依托电子束焊、激光焊、钎焊等技术完成部件连接与在轨修复；搭配机械臂机器人，可实现从零部件制备到大型结构组装的自主/半自主作业，集成 3D 打印与机器人装配的“太空建筑师”（Archinaut）系统即为典型应用案例。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于 2017 年资助研发的 Vulcan 混合制造系统，融合增材与减材制造功能，适配国际空间站载荷应用需求，可自动完成多材料零件打印与精密精加工，进一步拓宽了在轨制造的精度上限与功能应用边界[11]。值得注意的是，空间能源系统为制造过程提供持续动力支撑，如高效太阳能电池阵与同位素温差电源的协同供电方案，可满足电子束熔丝沉积等高能制造工艺的瞬时功率需求，以及面向太空工厂的空间核能源技术等也是发展方向。
平台服务模式将从制造工具逐步演进到制造设施，初期目标是在轨制造工具实验部件或备用件，以此验证工艺并提升空间站自主保障能力。远期目标则是直接制造并组装大型功能结构，包括大型天线桁架甚至扩展空间站舱段，最终实现完整的在轨建造能力[12]。平台同时构建了完备的实时质量保障体系，并同步建立适配在轨微重力环境的产品认证标准，由此形成闭环管控流程以保障在轨制造产品的长期可靠性。
1.5 维护与升级
维护是确保系统长期稳定运行、应对突发故障、并实现性能升级的关键。在轨连接修复与再生依赖多项核心技术，空间适用的电子束焊接、激光焊接和钎焊可用于修复损坏部件或连接新制部件，同时发展材料原位回收与循环再利用技术，例如将废旧塑料包装或失效零件通过重造机回收为新的打印原料，从而实现维护和升级。智能化、自主化的维护操作依托智能装备完成，利用空间机械臂或自由飞行机器人执行精细化拆卸更换装配等操作，这能减少航天员出舱风险并提升作业效率。基于状态的预测性维护依靠实时感知与数据分析，通过集成在结构中的光纤传感网络声发射检测等手段持续监测健康状态，由此实现故障早期预警与精准定位，将被动维修转为主动维护。
1.6 退役与循环
当制造设备或由其产品构成的结构达到寿命终点时，需安全有序地退出服务并最大化资源价值。材料的高效回收与循环利用是退役阶段的核心，目前已实现聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚醚酰亚胺（Polyetherimide，PEI）等塑料的在轨回收与再打印，未来需要突破金属与非金属复合材料的识别、分离与再制造工艺以延长材料在太空的生命周期。设备退役阶段强调安全拆卸与空间垃圾防控，可依托机器人辅助拆卸技术安全移除老化设备，在设计阶段就要确保退役过程非爆炸性、非污染性，从而降低新增空间碎片风险，同时在制造环节严格控制粉末、碎屑等废弃物的产生与飘散。科学的退役决策依赖在线检测与寿命评估技术提供客观依据，成熟系统的退役流程能够将可用材料平稳回流至在轨制造循环或执行安全离轨处置，以此形成从摇篮到摇篮的可持续太空资源管理模式。
总而言之，太空制造系统的生命周期是从地面模拟到太空实践、从单点制造到系统集成、从线性消耗到闭环再生的有机整体，各阶段技术要素相互关联且彼此约束。地面设计直接决定在轨制造与回收的技术可行性，发射载荷约束塑造在轨设备与原料的形态边界，在轨运行维护积累的实测数据反向迭代优化地面设计方案。最终通过退役回收完成物质闭环循环，构建可在极端空间环境下实现自给、自愈、自拓展的可持续技术体系。这种全生命周期统筹视角是太空制造从实验概念迈向常态化工程应用必须遵循的底层逻辑。
2 地面设计与验证阶段的关键技术
太空制造地面设计与验证阶段的关键技术体系需深度融合可制造性约束、数字孪生技术与轻量化结构设计三大核心要素：在可制造性约束层面，需开展材料配方与成型工艺的地面适配验证，重点解决发射载荷限制下的模块集成优化及极端环境（微重力/高真空/强辐照/高低温）等效模拟；基于数字孪生技术构建全流程闭环仿真系统，通过地面仿真建模与多物理场耦合分析，实现零重力熔融沉积与粉末冶金工艺的精准推演及制造过程的实时调控；针对轻量化结构设计，需结合构件性能地面全尺度评测与在轨装配协同流程预演，验证拓扑优化结构在空间环境下的力学性能与装配可行性。
2.1 可制造性约束
地面增材制造的设计自由是相对的，在太空场景下必须接受一系列由微重力、真空等极端环境带来的新边界，设计的首要任务便是将这些边界明确为工艺驱动的可制造性设计准则[13]。
2.1.1 工艺适应性约束
太空制造工艺需针对微重力环境进行专属设计。以增材制造为典型，其物理过程与地面工况存在本质差异，传统设计模型必须开展针对性修正。微重力会显著改变熔池动力学特性，并带来特殊的热管理难题。失重环境下，重力驱动的熔池对流基本消失，熔融金属流动主要由表面张力润湿性与 Marangoni 对流主导，材料易发生球聚现象，进而降低成形精度。以电子束熔丝成型（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）工艺为例，送丝角度与送丝距离对焊缝形貌的敏感度远高于地面工况，参数不当易直接引发熔滴球聚，造成成形失效；因此设计软件需内置专用修正算法，通过优化扫描路径与热源参数抑制热应力集中，避免构件产生开裂或过量变形。
同时，微重力环境对材料选型与常规工艺处理手段形成严格约束。为规避粉末飘浮引发的安全风险与舱内污染问题，太空制造优先采用丝材进料工艺，如熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、电子束熔丝成型。该类工艺存在明确的可制造性边界：最小特征尺寸通常受丝材直径制约，最大悬垂角度依赖自支撑拓扑或临时支撑结构设计，层间结合强度则与微重力下特殊的挤出熔融状态直接相关。NASA 对比试验表明，早期空间 FDM 成型样件普遍存在压缩强度偏低、致密度不足、翘曲变形趋势增大等问题，相关实测结论可为后续优化支撑布局、打印方向与温控策略提供直接设计依据。
2.1.2 结构适应性约束
依托增材制造“净成形”复杂结构的能力实现极致轻量化，是太空制造的核心优势之一，而这一目标的实现，要求结构设计必须遵循特定的几何规则。在给定载荷与边界条件下，通过算法生成材料最优分布，是开展拓扑优化与传力路径设计的核心要点。例如，某钛合金设备支架经拓扑优化及选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）工艺制造后，质量从1.1 kg降至430 g，减重幅度超过60%，同时一阶频率从100 Hz提升至不低于110 Hz；此类设计需严格确保优化后的复杂晶格或点阵结构符合打印工艺对最小杆径、节点连接角度等参数的约束要求。此外，在自支撑与内腔排粉设计方面，为避免使用难以去除的支撑结构，设计中应最大化自支撑角度（通常大于45°）。对于SLM等粉末床增材制造工艺，还需为复杂内腔设计专用排粉通道，确保未熔粉末在微重力或真空环境下能够被有效回收，进而防止构件内部出现堵塞问题。
2.1.3 面向组装的约束
自组装策略的有效落地，高度依赖前期设计阶段输出的标准化接口与机器人可达性分析：一方面需完成模块化设计与标准接口适配，所有待打印的自相似单元（如桁架杆、连接节点等基础构件），均需配置统一、便于机器人抓取与精准对接的机械接口；另一方面要提前嵌入机器人装配路径设计，数字孪生模型除涵盖零件几何形态与工艺参数外，还需预先内置适配的抓取点位、完整装配路径及精准力控参数，确保在轨实操动作与地面仿真效果完全一致。
2.1.4 材料可回收性约束
设计选材需兼顾在轨可制造性与退役可回收性，构建资源闭环体系。设计阶段需依托持续迭代完善的太空可制造材料数据库，实现材料型号与性能参数的精准映射；该数据库不仅收录材料力学性能指标（如 Ti-6Al-4V 高强特性），还需明确标注空间环境适配能力，如聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone，PEEK）抗辐射、低放气性能；增材工艺兼容属性，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）适配 FDM 工艺、铝锂合金适配 EBF3 工艺。遵循“为回收而设计”原则，零部件采用模块化、易识别、易拆解的接口结构，如标准卡扣、无胶式燕尾槽连接，满足机器人自动化快速拆解的作业需求。材料选型优化优先保障循环再生能力，例如将太空储运包覆构件采用聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide，PPS）自增强复合材料，构件服役期满后，可经粉碎、再造粒处理直接转化为 3D 打印基材，重新投入在轨制造流程，最终实现空间原位资源闭环利用。
2.1.5 模块化设计约束
太空工厂的运营效率高度依赖配套物流体系，设计阶段需深度融入 “设计即物流”理念：一是落实标准化接口与即插即用设计，所有功能模块（含打印头、送料机构、电源、控制器等）、结构单元及原料包装，均实现物理与信息接口全域标准化，既是支撑机器人快速抓取、转运、对接与更换的基础，也是保障在轨高效补给、运维与系统重构的前提；模块化设计不仅是适配发射约束、满足在轨补给的工程手段，更是太空工厂拓展作业能力、延长服役寿命的核心原则。采用该模式的模块化航天器，可在任务初期以少量功能单元、低资源投入完成入轨部署，后续依托标准接口、模块化机器人、可替换制造单元与即插即用部件持续扩容增效，凭借模块可更换、功能可重构的架构，提升系统对动态任务的适配性，简化在轨维护与故障隔离流程，强化系统可变更、可维修与延寿能力[14-15]。二是统筹包装密度与在轨可处理性，原料及备用模块的包装设计，兼顾发射阶段高密度封装需求与在轨微重力环境下易开启、易装填的作业条件，同时将包装材料纳入闭环回收体系。三是强化分布式工厂节点兼容性，面向未来由金属制造、复合材料成型、智能装配等专用工位组成的分布式制造网络，统一规范产品、数据与能源对接接口，保障跨节点协同制造高效落地。
2.2 数字孪生技术
2.2.1 工艺仿真与预测技术
面对空间极端工况，数字孪生需在设计阶段于虚拟环境复现微重力、真空制造全过程，依托流体、热力与凝固动力学构建高保真多物理场耦合模型；可提前预判微重力引发的熔池失稳、热裂纹及合金元素蒸发（如真空下 TC4 铝元素蒸发损耗可达 2.35%）等风险，为激光功率、扫描速度等关键工艺参数优化提供依据。在实体打印前，系统可依据仿真微观组织预判构件屈服强度、疲劳寿命等力学性能，对标设计指标完成虚拟核验，以海量地面仿真替代实物试错，大幅降低在轨验证成本与风险。同时，现有微重力试验资源极为有限：抛物线飞行仅能提供 20~30 s微重力窗口，探空火箭有效试验时长也仅有数分钟，且成本高、机会少，常规 “设计-试验-修正” 迭代周期长达数月乃至数年。因此太空制造工艺无法单纯依靠飞行试验，必须构建 “高保真仿真-地面校验-有限试飞” 协同路径；而数字孪生与多物理场建模，既是机理研究核心，更是压缩试错成本、提升试飞命中率、加速技术成熟的关键支撑[19-20]。
2.2.2 数据链与闭环反馈技术
同时，依托数字孪生搭建全生命周期数据链，将全尺度力学测试结果与仿真对标，建立材料性能、工艺参数与环境因子的映射关系；通过试件内置传感网络模拟在轨应变、温度响应，校准模型精度，为在轨健康监测、寿命评估提供地面依据，全程保证从设计制造、性能预判到回收策略的技术可行性。
2.3 轻量化结构设计技术
2.3.1 拓扑优化与点阵/蜂窝结构设计
这种设计是实现二次减重、性能跃升的核心手段，通过在算法中去除低应力区的材料来实现宏观拓扑优化，能够生成仿生式的有机形态，不仅大幅减重，还能将应力均匀分布，提高整体刚度和固有频率，而SLM技术为制造这类复杂拓扑结构提供了可能。
在微观层面，通过在实体部件内部填充轻质、高强度的三维点阵（如八棱柱、金刚石结构）或蜂窝结构，能在保证性能的前提下实现高达70%~90%的减重潜力。例如，采用点阵结构设计的卫星相变板，其质量可减轻50%以上。在具体设计时，需综合考虑点阵单元的类型、杆件直径、相对密度与打印工艺精度的匹配关系。
2.3.2 结构-功能一体化设计
增材制造打破了传统“先造结构、后装功能件”的局限，允许将多种功能直接“生长”于结构之中。典型的太空增材制造应用如图2 所示。
在设计承力结构的前提下，系统可同步集成热控流道（用于冷却高功率器件）、电缆管线通道以及传感器埋藏腔体，以构建嵌入式功能通道。这一物理设计的机制在于省去外部管路和线缆的捆绑需求，从而简化总装流程、提升系统可靠性，并作为额外变量进一步减轻系统整体重量。在此物理结构集成的基础上，多功能材料与智能结构的设计进一步扩展了功能维度，当前研究正探索将导电、传感、驱动等特性直接融入材料本身。例如，引入4D打印技术作为制造手段，可生成对温度或电场等环境刺激产生可控形变的智能铰链或展开机构；或者通过打印内含传感器网络的复合材料蒙皮，最终实现结构的自感知与健康监测。
2.3.3 大型结构的在轨生长式设计
对于远超运载器尺寸的大型空间设施（如数十米口径的望远镜、千米级的太阳能电站），设计思维需从“整体发射”转变为“在轨生长”。将庞大结构分解为标准化、可批量打印的基本功能单元（如特定长度的桁架杆、节点连接器）是实现模块化与自相似单元设计的物理前提，这些单元的设计变量需约束在极简与轻量的范围内，同时要求物理接口高度标准化，以满足机械臂快速抓取和装配的操作条件。Archinaut项目演示的在轨打印并组装长达37.7 m的桁架结构，即是该结构拆解逻辑的实际工程应用。此外，NASA资助的SpiderFab项目是千米级空间结构在轨制造的核心工程化方案，通过纤维增强热塑性复合材料 3D 打印技术实现天线、桁架等大型轻量化结构的在轨建造，已完成地面热真空与微重力环境全流程验证[26]。在机器人与制造系统的协同设计中，大型结构的空间生成路径必须与执行在轨制造的机器人系统的运动学、工作空间及精度参数相匹配，这一机制要求结构的分割方案、打印顺序和装配路径等变量，需与机器人的可达性及避障规划进行一体化解算，从而构建设计、工艺与装备高度关联的执行模型。
总而言之，太空制造地面设计与验证阶段的核心功能是通过量化可制造性的约束条件，为初始结构构想划定明确的物理边界；同时利用全生命周期数字孪生模型，为高风险的在轨操作提供预测数据与边界保障。轻量化与一体化设计变量的引入，使在轨制造的系统定位从单一的备件生产环节，转化为构建太空基础设施的基础工序。量化约束、孪生预测以及一体化设计这三个核心维度在实际工程中相互交织并持续迭代优化，共同构成了太空制造从理论概念向工程应用转换的底层逻辑结构。
3 发射上行与部署阶段的关键技术
发射阶段作为太空工厂物理上行的关键环节，需整合发射包络约束、环境适应性与在轨自组装三大技术体系实现系统集成。在发射包络约束方面，通过轻量化结构设计与可折叠机构，将“制造-装配”一体化系统压缩至适配运载火箭的收纳体积，同时通过拓扑优化实现结构轻量化（见图3 ）。环境适应性设计需通过地面力学环境与热真空循环验证，采用减震缓冲措施确保核心部件防护，并验证材料在极端温度下的性能稳定性。在轨自组装技术则通过分步解锁、顺序展开与智能对接流程实现系统激活，包括约束解除、太阳翼与制造单元部署，以及机器人自主完成管路与数据总线连接，全过程以地面指令触发实现高自主化部署。
3.1 天地往返高效运输与在轨转运技术
天地往返高效运输与在轨转运技术是太空制造系统（太空工厂）落地运行的核心支撑，是打通“地基-在轨-地外”制造链路、保障制造原料补给、成品返程与装备部署的关键，直接决定太空制造的规模化与经济性。面向太空制造需求，需突破低成本、高可靠、高效能的天地往返高效运输与在轨转运核心技术，适配太空制造全场景需求。当前需突破的关键技术主要包括可重复使用天地往返高效运输技术，重点攻克未来水平起降入轨飞行器、重复使用火箭发动机技术，以及火箭垂直回收、航天器热防护与重复使用延寿技术，提升运输效率、降低单位运输成本；在轨物资精准转运与加注技术，破解微重力环境下柔性对接、高效推进剂加注难题，保障在轨制造连续运转；地月/深空转运技术，突破轨道精准入轨与长期驻留、在轨加注、在轨运维保障、地外天体精准投送技术，支撑地外原位制造。目前研究已取得阶段性进展，我国可重复使用试验航天器完成多次在轨试验，组合发动机与重复使用火箭发动机研发稳步推进，水平起降入轨飞行器进入概念验证阶段；国际上SpaceX猎鹰9号实现火箭高频次复用，Varda完成商业返回舱在轨试验，驭星三号实现柔性机械臂在轨加注验证。整体而言，技术已从试验验证向工程化应用过渡，但在低成本规模化转运、深空转运可靠性等方面仍需进一步突破，为构建“太空班车”式常态化运输体系提供保障。
3.2 发射包络约束的平台设计技术
当前技术发展的主流范式并非物理折叠平台，而是通过移动打印头与机器人重定位来突破静态打印舱的尺寸限制，实现工作空间的在轨扩展。其经典代表是美国太空制造公司（Made in Space）为Archinaut项目研发的扩展结构增材制造机（Extended Structure Additive Manufacturing Machine，ESAMM），如图4 所示。
（1）技术原理。该设备集成了传统熔融沉积成型（FDM）打印头与一个机器人横移系统。在地面测试与任务规划中，当需要制造的构件（如桁架）长度超过单次打印行程时，集成的机械臂会移动整个打印平台或打印头，实现连续、逐段的制造。这使得一个初始体积有限的设备，理论上能制造出无限长的结构。
（2）发射状态。整套系统（包括打印装置、机械臂、控制单元及原材料）以高度集成、结构强化的“箱体”形式发射，其尺寸和质量适应运载要求。
（3）在轨展开。入轨后，系统启动，机械臂按规划路径移动打印头，实现对大型结构的“原位增材制造”。2017年，ESAMM在地面热真空舱内创造了连续打印37.7 m超长桁架梁的纪录，验证了此扩展制造模式的可行性。但目前尚未真正实现在轨验证。
3.3 发射环境适应性设计及验证技术
为确保在发射段剧烈振动和过载6至9 g下的可靠性，此类集成制造设备在设计时需进行专门强化，可采用刚性框架双丝杠四导轨结构增加稳定性，关键连接避免焊接而采用螺栓阵列固定，并可设置减震层。同时设备需满足体积小、质量轻、高集成度的要求。有研究将样机尺寸控制在约1000 mm×800 mm×600 mm内，并集成料卷存放、成形、切断等功能；原料方面，优先采用丝材、预浸带卷材等高密度包装、不易飘散的原材料形式上行。例如使用拉挤卷材可比传统料卷提高包装密度132% ，能更好承受发射载荷。
无论平台展开策略还是自组装规划，都必须在地面通过严格的模拟发射与空间环境试验验证，才能获得上行许可。（1）力学环境验证：设备必须通过地面振动试验，例如在全向随机振动谱下考核其结构完整性。中国在研制面向太空的复合材料3D打印系统时，就进行了整机的全方向随机振动试验以满足发射要求。（2）空间环境模拟：关键功能需在热真空环境中测试。ESAMM设备正是在NASA的热真空舱内，完成了长达530 h的连续启停打印测试，使其技术成熟度（TRL）从3提升到6，为飞行验证奠定了基础。（3）微重力工艺验证：对于制造工艺本身，需通过抛物线飞机的短时微重力环境进行先导实验。例如，NASA的电子束熔丝沉积设备，以及中国的复合材料3D打印技术均通过此类试验验证了微重力下的工艺可行性。
发射阶段的技术已从简单的“设备打包”发展为一种协同的“系统工程部署”，其核心思想是通过可扩展的移动制造方案和深度集成的机器人自组装策略，最大化利用有限的发射质量与空间，将地面的模块化设计蓝图转化为在轨可执行的自生长程序。然而，这一复杂链条的最终验证，即大型系统在轨自主建造的完整飞行演示，仍是一项待突破的挑战，其成败将直接影响太空工厂从概念走向规模化应用的进程。
3.4 在轨部署的自组装技术
“自组装”是指制造系统与机器人系统协同，依据地面预编程的路径，将制造的标准化模块或连续结构进行定位、连接与集成的自动化过程，这构成了从“制造”到“建造”的关键闭环。自组装策略的核心是将增材制造设备与空间机器人（机械臂）深度集成，形成“打印-移动-装配”一体化系统。以Archinaut及其后续项目OSAM-2的规划为例：系统入轨后，3D打印机开始工作，制造出结构单元（如计划中10 m长的太阳能电池阵支撑横梁）；随后，机械臂将已打印完成的梁段抓取、转运并精确定位到预设的装配位置进行锁定；机械臂随后重定位打印机至下一个工位，继续打印下一段结构，如此循环，直至完成整个大型构造（如一对完整的太阳能电池翼阵）。这一策略将大型结构的制造分解为可重复的“制造-装配”循环，规避了一次性制造超大型构件的高风险。
再如图5 所示，“蜘蛛制造”（SpiderFab）是 NASA 资助、美国系绳无限公司研发的创新太空制造系统。该技术借鉴蜘蛛织网原理，依托在轨机器人实现大型航天器部件的太空原位建造，颠覆传统地面制造、太空发射部署的模式。项目先将搭载原材料、桁架结构与控制程序的 “卫星茧” 送入轨道，入轨后通过增材制造与自主装配技术搭建大型空间系统。用户可按需定制卫星构型，借助 3D 打印打造天线、光学仪器等核心组件，完成在轨集成装配后，于近地轨道完成最终部署。针对太阳能电池故障、望远镜构件等超大尺寸空间设备，SpiderFab 能突破发射尺寸限制，实现性能量级跃升，为深空探测与大型空间基础设施建设提供全新技术路径。
4 在轨运行与拓展阶段的关键技术
在轨运行阶段是太空制造系统功能兑现的核心环节，面对微重力、高真空、复杂热循环与辐射的极端环境，制造工艺的稳定性、质量可预测性以及过程的透明可控，成为决定任务成败的关键。本阶段任务的核心在于将上行携带的原料与设备，转化为满足性能、功能与安全标准的结构或部件。目前，以FDM、SLM和EBF3为代表的增材制造工艺构成了在轨制造的主流技术路线，它们各自的技术特性、环境适应性与应用定位存在显著差异。需要特别指出的是，任何在轨制造工艺从原理验证到稳定工程化应用，都面临着一个严峻挑战：由于在轨实验机会稀缺、周期漫长，工艺参数的优化迭代效率极低。 这凸显了前文所述数字孪生与地面高保真模拟（热真空、微重力模拟）的不可替代价值，它们必须能最大限度地预测和规避在轨风险，实现“一次成功”或“最少迭代”。与此同时，构建从工艺过程到最终产品的全链条实时质量监测与保障体系，是实现稳定、可靠在轨生产的基石。
4.1 在轨增材制造工艺
表 1 在轨增材制造工艺对比Table 1 Comparison of in-space additive manufacturing processes |
| 对比维度 | 熔融沉积成型 | 选区激光熔化 | 电子束熔丝成型 |
| 核心材料 | 高性能聚合物及复合材料 （ABS、PEEK、PEI、CF/PEEK） | 金属粉末（Ti-6Al-4V、AlSi10Mg、 镍基高温合金系列等） | 金属丝材（铝合金、钛合金等） |
| 原料形态与上行优势 | 固体丝材/预浸带，高密度封装，抗震防漂浮，上行安全便捷 | 金属粉末，微重力下易漂浮扩散，存在安全隐患，上行与在轨应用挑战大 | 固体金属丝材，无粉末漂浮问题，上行安全性高 |
| 技术成熟度 | 最高 (TRL6-7、ABS 等材料达 TRL8)，国际空间站已实现常态化工程化应用 | 较低，地面模拟与抛物线飞行验证阶段， 受粉末控制制约 | 发展验证阶段，多次抛物线飞行验证，工艺可行性已展示 |
| 太空环境适应性 | 微重力影响不敏感，成形过程稳定， 能量利用率高 | 微重力下粉末铺展难；真空加剧低熔点 元素蒸发；熔池行为改变 | 适应真空环境，微重力下熔池易“球聚”，工艺控制要求高 |
| 制件性能特点 | 满足工具、非承力/次承力结构需求，CF/PEEK弯曲强度超480 MPa（优于 部分铝合金），存在力学各向异性 | 致密度高，力学性能达锻件水平，航天器 承力件轻量化理想工艺（减重超60%）， 表面光洁度较好 | 铝合金、钛合金性能达锻件/铸件水平，表面粗糙度较高，成形精度较低 |
| 典型制造速率与能耗 | 大型连续纤维增强结构 z 向堆叠速率约 2 mm/min（如 NASA Archinaut 系统），能耗低（整机功耗＜1 kW） | 工艺精细，速率适中，需激光系统与粉末循环装置，能耗较高 | 制造效率较高，电子束系统功率高，设备能耗大且附件庞大 |
| 在轨验证层级 | 多次在轨飞行验证（国际空间站等）， 累计制造超200件实用物品与实验件 | 仅完成抛物线飞行模拟验证（如德国联 邦材料研究与测试研究所/ 德国航空航天 中心的不锈钢B形试样），无完整的在轨 制造公开案例 | 完成抛物线飞行验证（如NASA兰利中心30 mm铝合金圆筒） |
| 在轨回收闭环潜力 | 已实现，国际空间站“重造机”可回收ULTEM9085等塑料再生丝材，循环 5次性能保持＞85% | 尚未实现，金属粉末在轨回收（分级、去氧化、除杂）技术难度大，实验室研究阶段 | 丝材形态理论利于回收再利用，具体技术与装备待开发 |
4.1.1 熔融沉积成型
技术特点与在轨适应性：其原理是将热塑性丝材加热熔融后挤出沉积。丝状热塑性材料软化而不熔化，完美规避了微重力下液体或粉末材料的控制难题。NASA通过国际空间站对比试验得出结论：微重力对FDM成形过程无显著工程影响，地面等效样品可替代舱内样品进行性能评估。这使得其技术成熟度得以快速提升至TRL5以上。验证案例与性能数据：
（1）国际空间站常态化应用。2014年9月21日，SpaceX 公司的货运飞船将太空制造公司（Made in Space, MIS）与NASA合作开发的零重力增材制造设备运送到了国际空间站。如图7 所示，该设备使用熔融沉积成型技术，于2014年11月24日制造了一个挤压机的外壳面板，实现了太空中的首次增材制造试验[32]。自首台打印机升空以来，已累计打印超过200件实用物品，包括棘轮扳手、辐射探测器保护壳、氧气转换接头等，设备无故障运行时间超过1000 h。
（2）大型结构制造突破。Made in Space公司的扩展结构增材制造机（ESAMM）在2017年地面热真空测试中，历经530 h连续启停，成功打印出长度达37.7 m的桁架梁，创造了当时的世界纪录，并将技术成熟度提升至TRL6。其打印精度可达±0.1 mm。
除国际空间站舱内打印应用外，欧洲空间局近年来围绕热塑性材料在轨连续制造开展了进一步探索。其开发的多材料成型技术装置（Manufacturing of Experimental Layered Technology, MELT）已实现与重力方向无关的高强工程热塑性材料打印，并在此基础上推进了具备热控输送带的基于增材制造的大型构件原位制造系统（In-situ Manufacturing of Powders into Registered Interconnected Structures for Large-scale Applications, IMPERIAL），用以支持超出设备本体尺寸的大型连续构件成形。这类“连续成形+方向无关”的设备构型突破了传统舱内有限成形空间对构件尺度的限制，为太空工厂面向大尺寸桁架、天线支撑件和薄壁连续结构的在轨生长提供了新的装备思路。就技术路线而言，其意义不仅在于打印尺度的放大，更在于推动FDM从“零部件制造设备”向“空间结构生成装备”演进[33]。
（3）复合材料高端应用。中国在2020年新一代载人飞船试验中，成功实现国际上首次连续碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料的在轨打印。打印出的样件弯曲强度超过480 MPa，弯曲模量超过37 GPa，性能优于大部分铝合金，展示了FDM工艺在高端复合材料结构制造上的巨大潜力。目前，利用研制的连续纤维增材制造装备，已实现了航天器领域首个碳纤维3D打印型号结构产品（卫星展开臂臂杆）的预先研制，测试结果表明，整体性能提升效果突出，减重达30%以上。
4.1.2 电子束熔丝成型（EBF3）
技术特点与在轨适应性：电子束能量集中、真空下无散射，能量利用率高，可以良好地适应高真空环境。然而，微重力环境下，熔融金属的表面张力和润湿性作用主导熔池行为，送丝角度、距离的微小偏差极易导致熔滴在丝端“球聚”而无法顺利融入熔池，严重影响成形精度与一致性。此外，设备高压电场、电子枪维护等问题也带来了应用复杂性。验证案例与性能数据：
微重力可行性验证：NASA兰利研究中心早在2006年即利用抛物线飞机，在微重力环境下采用直径0.8 mm的2319铝合金丝材，成功制造出高30 mm、直径70 mm的铝合金圆筒试样，首次证实了工艺可行性。研究表明，EBF3成形的2219铝合金制件力学性能可达传统锻件水平。但其表面粗糙度大、成形精度较低的缺点也较为突出。英国伯明翰大学研发了适配国际空间站严苛功率限制的低功耗金属丝材 3D 打印系统，采用类聚合物 FDM 的挤出成型方式实现低熔点铝合金的微重力适配制造，从源头规避了金属粉末漂浮的安全风险。兰利研究中心研制的EBF3系统及其金属制造物如图8 所示。
由于EBF3等定向能熔丝增材制造技术的样品尺寸精度通常较低，对精度有一定要求时需后处理才能使用。目前技术背景下太空中后处理能力有限，在一定程度上限制了该技术的应用场景。作为一种基于电子束的增材制造技术，EBF3面临成型组织优化、缺陷抑制、控制元素挥发等问题[38]，在微重力环境中熔池行为的变化使得这些问题需要进一步研究与验证。其微重力环境下的电子束熔丝成型制造过程如图9 所示。
4.1.3 选区激光熔化
SLM技术使用完全熔化金属粉末制造单层切片，并逐层堆积、熔化成型制造完整零件，是金属增材制造最成熟的技术之一。SLM通过激光逐层完全熔化金属粉末来制造零件，能够实现接近锻件的力学性能和极高的设计自由度，是地面航天领域实现轻量化（如减重超60%）的关键技术。除此之外，SLM技术制造的零件尺寸精度较高，可以不依赖后处理而投入使用，为该技术的太空应用提供了便利。在此类技术的地面应用中，NASA马歇尔航天飞行中心的Gradl等[39]提出了一种结合选区激光熔化与定向能量沉积的混合增材制造技术，成功实现了铜合金衬里与高温合金结构夹套的双金属一体化成型，并通过热火试验证明了该工艺在制造复杂再生冷却燃烧室方面的显著优势。此外在2016年，航天科工三院与西北工业大学合作，针对航天发动机涡轮泵核心零件油冷涡轮叶片轴转子，进行了增材制造技术的工程应用研究。该研究通过使用SLM技术，使结构的换热冷却效果提升了90%。然而，其太空应用面临根本性挑战[40]。
SLM技术的核心挑战源于粉末在微重力下的不可控性，粉末漂浮不仅污染设备、威胁安全，更使得稳定、均匀的铺粉几乎无法实现。德国航空航天中心在2018年抛物线飞行试验中，通过设计全密封设备并利用氮气流循环系统产生定向气流来约束粉末床，才成功打印出不锈钢试样，这凸显了技术系统的复杂性。此外，真空环境导致的元素蒸发（如TC4合金中Al元素蒸发损失率可达2.35%）、熔池对流减弱引发的组织变化（如减少偏析），都是必须面对的科学与工程难题。德国航空航天中心抛物线飞行实验如图10 所示。
SLM技术的核心挑战源于粉末在微重力下的不可控性，粉末漂浮不仅污染设备、威胁安全，更使得稳定、均匀的铺粉几乎无法实现。德国航空航天中心在2018年抛物线飞行试验中，通过设计全密封设备并利用氮气流循环系统产生定向气流来约束粉末床，才成功打印出不锈钢试样，这凸显了技术系统的复杂性。此外，真空环境导致的元素蒸发（如TC4合金中Al元素蒸发损失率可达2.35%）、熔池对流减弱引发的组织变化（如减少偏析），都是必须面对的科学与工程难题。
截至目前，SLM尚未在国际空间站等真实太空环境中完成完整的在轨制造循环。其技术路线因粉末处理难度，正在向更易控制的金属丝材激光熔覆方向演进，例如欧洲空间局在国际空间站实现的首次金属在轨打印，采用的就是激光送丝工艺而非SLM。2024年，欧空局首次在空间站中采用激光熔丝工艺制造了多个316 L不锈钢样品，并于2025年2月将样品送回地面接收测试。
4.2 不同材料的在轨制造
在轨制造的核心目标是产出满足航天服役要求的功能性部件，这要求制造系统不仅能在微重力、高真空等极端环境下稳定运行，更必须确保其产出材料的微观组织与宏观力学性能可预测、可控制、可验证。本章将聚焦金属、聚合物与复合材料三大类航天关键材料，基于已有的在轨与地面模拟试验数据，系统阐述其加工参数的适应性调整与性能验证的关键结果。
4.2.1 金属材料
太空金属制造主要采用熔丝沉积与粉末床熔化两类工艺，其工艺窗口因环境巨变而收窄，参数优化与性能验证成为重中之重[37]。
电子束熔丝增材制造适配真空环境，是在轨金属制造的优选路线，相关铝丝与基材组合已通过 NASA 微重力飞行验证；但微重力会显著加大工艺控制难度，送丝姿态、熔滴过渡与热输入匹配均需重新标定。该工艺成型构件力学性能优异，可对标锻件、铸件水平，却存在高真空下低熔点元素烧损、熔池气孔大幅增多等突出缺陷，在轨应用必须配套成分分析与微型无损检测，完成精准性能核验。
以 SLM 为代表的粉末床选区熔化工艺，核心瓶颈在于微重力引发的粉末漂浮难题；目前依靠全密封腔体与惰性气流稳压，已在飞行试验中完成试样打印，验证了基础可行性。在轨工况下，除激光功率、铺粉厚度等常规参数外，舱内气流调控与极端真空热管理成为关键新增要求，同时高温元素烧损问题依旧显著，现有成熟材料的在轨实测力学数据稀缺，构件成分均匀性与服役稳定性仍难以保障。
为规避熔融成型带来的气孔、元素蒸发等固有难题，学界同步探索非熔融态成型新路径：利用非晶合金在过冷液相区开展低温热塑成形，无需完全熔化金属。实验室验证表明，锆基非晶合金构件成型后拉伸强度可达母材七成以上，兼具低能耗、低热累积与高精度优势，有望成为低功耗、高稳定性的新型太空金属制造备选方案。
4.2.2 聚合物材料
材料闭环方面，NASA 再生设备已实现在轨废件熔融拉丝再打印；西安交大团队通过逆向熔丝再生 CF/PEEK，回收件弯曲强度、模量反而分别提升 4.8% 与 50.8%，达成高性能无损循环[45]。极端环境适配中，PEEK、PEI 凭借低放气、耐辐照优势成为优选；中国空间站 CF/PEEK 打印件抗弯强度超 480 MPa、模量超 37 GPa，性能优于多数铝合金，可满足承重结构应用需求。
4.2.3 复合材料
连续纤维增强热塑性复合材料密度低、比强度与比模量高，是航天器结构及大型轻量化空间结构的理想材料，其制造与验证核心围绕纤维-树脂界面展开[41]。复合材料性能取决于纤维-树脂界面结合强度，在轨FDM打印中，喷头温度、层高、扫描间距等参数通过调控温度场、压力场影响界面质量。纤维体积分数超50%可实现高性能，如连续碳纤维增强聚乳酸（Continuous Carbon Fiber Reinforced Polylactic Acid, CCFR-PLA）拉伸强度达766.67 MPa、模量77.25 GPa。国外改造FDM喷头实现纤维与基体协同打印，经真空、模拟漂浮验证，可突破舱内限制，推动复合材料在轨制造从“能打印”向“能承载”跨越，为大型结构原位制造奠定基础[46]。在轨验证已从基础聚合物拓展至复合材料：2020年中国在新一代载人飞船试验船上，完成世界首次连续碳纤维增强复合材料在轨3D打印，CF/PEEK样件抗弯强度超480 MPa、模量超37 GPa，对标地面高性能水平；另有机构开展的8个月在轨暴露试验显示，复合材料试样性能变化有限，为长期服役提供数据支撑[47]。连续纤维增强复合材料的太空3D打印实验如图12 所示。
复合材料专属回收技术的核心难点，在于实现组分有效分离，同时保留纤维的增强效能。其中，CF/PEEK 复合材料采用的 “逆向熔融抽丝” 回收技术，已是一项重大创新；另一类创新方案，则针对自增强复合材料（如连续 PPS 纤维增强 PPS 基体）优化回收策略：依托过冷 3D 打印工艺，可让回收再制造后的材料弯曲应变提升至 13.8%，实现韧性指标不降反升。多项技术验证表明，凭借基体可反复熔融的特性，连续纤维增强热塑性复合材料在太空绿色循环制造领域具备得天独厚的应用优势[48]。
综上所述，现阶段金属材料在轨制造与性能验证仍以攻克基础工艺难题为主，元素蒸发、气孔抑制与粉末管控，是制约性能达标的核心瓶颈；聚合物材料相关制造工艺已日趋成熟，验证重点转向多材料适配性、长期空间环境老化效应及回收工艺的工程化落地；复合材料则已完成从原理验证到高性能构件在轨打印的技术跨越，后续验证将聚焦超大型结构原位制造精度与长期在轨服役可靠性。各类材料的性能验证数据，正通过在轨无损检测（微型 X 射线、超声检测等）、微型力学测试（拉伸、弯曲试验）及返回地面的深度剖析，持续回流至数字孪生模型与工艺数据库。这套 “制造-监测-验证-优化” 的数据闭环，是持续提升太空制造产品品质、最终构建标准化太空工厂可靠体系的核心基石。
4.3 在轨制造过程监测与质量保障
在轨制造对 “一次成功” 有着极致要求，因此，对制造过程开展全流程、多参量、实时监测与闭环控制，并对成品实施快速精准的无损评价，已成为不可或缺的核心支撑技术，且该体系可与设计阶段的数字孪生模型深度联动。
4.3.1 在线过程监测与闭环控制
在线监测旨在实时捕捉工艺参数与成形状态，实现缺陷前置干预。在形貌与尺寸监测层面，依托激光位移传感器实时采集各沉积层的层高、宽度、表面轮廓等特征数据，与预设 G 代码路径开展比对分析，进而完成打印头 Z 轴自适应调平与挤出量自补偿。该机制可有效适配微重力环境下熔池铺展的细微变化，是保障构件最终尺寸精度的关键。在热过程监测方面，通过红外热像仪、高温计全程采集熔池及热影响区的动态温度场：针对 FDM 工艺，稳定管控喷嘴与成形区域温度；针对 EBF3、SLM、LMD 等高能束工艺，精准监控熔池温度与冷却速率，以此调控微观组织演变、抑制热裂纹萌生。全程温度数据可实时回传至地面数字孪生模型，为热应力仿真修正与工艺参数迭代优化提供数据支撑。此外，声发射与振动监测系统可实时识别层间开裂、翘曲剥离、送丝异常等工况，依托声波与振动特征信号实现早期故障预警。
4.3.2 在轨无损检测与产品认证
在轨无损检测需搭建多技术协同的质量筛查体系，适配微重力操作约束与多类构件检测需求。其中，超声导波技术结合多模态激励与分布式传感阵列，可实现桁架杆件、燃料储箱等大型板 / 管状结构全域扫查，无需耦合剂即可识别层间未熔合、微裂纹等缺陷，对金属与复合材料构件均具备优异穿透检测能力；微型 X 射线检测系统聚焦连接节点、推进支架等关键承力部件开展高精度内部成像，搭配柔性探测器与低剂量辐射源，设备自重可控制在 5 kg 以内，同时满足空间辐射安全防护标准。同时，电磁涡流检测可精准识别金属构件表面及近表面缺陷，主动式红外热成像则可通过加温激励与温度场解析，间接判定构件内部结合质量。整合超声、射线、电磁、红外多类检测手段，可实现从宏观缺陷到微观性能的全尺度质量覆盖验证。
产品认证体系融合过程监测与性能验证两大维度，构建覆盖制造全流程、服役全周期的质量追溯机制。制造阶段，依托嵌入式光纤布拉格光栅传感网络实现 “成形即监测”，同步采集构件应变场、温度场数据，建立 “工艺参数-微观组织-力学性能” 关联映射模型；在轨服役阶段，借助分布式传感系统持续监测结构载荷与环境响应，联动数字孪生模型开展疲劳寿命推演与失效风险预判，支撑在轨预测性维护。性能验证环节，采用微型力学测试装置对同批次陪试样开展抽样检测，通过微拉伸、三点弯曲等标准化试验标定核心力学指标；搭配在轨原位金相分析与硬度检测，形成多维度协同认证标准，全面保障在轨制造构件的结构安全与长期服役可靠性。
4.3.3 典型案例中的监测实践
在已实施的太空制造项目中，监测技术已实现落地应用并初见成效。国际空间站 FDM 在轨打印任务中，通过比对在轨与地面试样的力学性能数据，积累了微重力影响的一手基础数据，据此完成后续设备控制算法的迭代优化；Archinaut 项目开展长达 530 h的地面热真空连续打印试验，依托全过程参数动态监测与周期性形貌复检，保障了超长桁架结构连续成形的质量一致性；中国空间站 CF/PEEK 复合材料在轨打印试验中，结合打印过程全链路稳定监测，以及回收再制材料的精准性能测评（性能提升 25%），充分验证了工艺可靠性与闭环回收再制造的可行性。
在轨制造的成功落地，既依赖于对 FDM、EBF3、SLM 等工艺特性的深度认知与合理选型，更离不开贯穿全流程的实时感知与精准调控能力。从工艺参数动态微调，到成品性能在轨初步判定，这套日趋完善的质量保障体系，正逐步推动太空制造从高风险探索性试验，迈向可预判、可管控的标准化工程应用。而不同工艺制备材料，能否适配极端太空环境、满足长期在轨服役要求，将成为下一阶段在轨验证的核心重点。
5 维护与升级阶段的关键技术
维护保障是支撑太空制造系统实现长期稳定、可靠持续在轨运行的核心环节。该环节已突破传统单一故障修复的局限，构建起一套涵盖资源动态补给、状态感知预测、关键部件自主更换的完整技术体系，旨在将空间设施从静态在轨生产终端，升级为具备自主维持与迭代升级能力的智能化生态载体。
5.1 在轨原料补给与废物资源化技术
维护阶段的首要核心难题，是保障在轨制造原料的持续稳定供给，相关技术已从传统地面物资单向上行补给，进阶至原位资源闭环循环利用阶段[49]。
为适配发射阶段严苛的力学载荷环境，原材料均采用高密度集成封装形式（如丝材卷轴、预浸带卷材）完成升空部署，搭建原料补给的基础保障条件。在整体补给链路中，原材料封装结构需与打印设备料仓配置标准化机械、电气快速对接接口，支撑机器人于微重力环境下完成全自动 / 半自动装填作业，最大限度降低系统对航天员出舱操作的依赖。在此基础上，材料原位回收与循环再造技术，成为削减地面补给压力、实现系统长效可持续运行的核心支撑：通过将空间站废弃物、失效构件、废旧包装耗材等资源化再生，转化为可复用的 3D 打印原料，进而搭建闭环自持的太空制造生态体系。
聚合物材料在轨回收技术目前已完成多轮在轨验证，迈入工程应用落地阶段。例如，NASA 研发的 Refabricator 再生设备、太空制造公司 Recycler 回收装置，已在国际空间站完成 PE、ULTEM9085 等塑料材质的回收与再打印全流程闭环验证；部署于国际空间站的 Braskem Recycler 系统，可将塑料废弃物与失效 3D 打印构件，再生转化为适配 Made in Space 公司 AMF 装备的标准化打印原料，实现商业化聚合物在轨循环再造[50]。与此同时，国内相关研究进一步量化验证了该技术的拓展潜力：采用逆向熔融抽丝工艺对 CF/PEEK 等连续纤维增强热塑性复合材料开展回收再造，其二次打印构件的力学性能较初代制件可提升 25%，成功实现高性能增益型闭环回收。NASA的“重造机”和太空制造公司的“回收机”如图13 所示。
在金属材料回收领域，相关技术目前仍处于基础研究阶段。从原理层面来看，丝材形态更适配再生回收工艺，但在轨配套装备与关键工艺参数 —— 如金属废料熔炼重熔、杂质净化、重新拉丝等核心流程 —— 暂无公开的在轨试验验证数据。这种理论可行、实体验证不足的现状，已成为当前太空制造运维链条中最薄弱的短板与重点攻关方向。
综上，太空工厂的原料供给模式，正由单纯依赖地球上行补给，逐步迈向原位资源闭环循环。未来的废物资源化利用，将不再局限于塑料构件再生再造等简单场景，还将探索通过物理、化学乃至生物转化手段，将生命系统废弃物、失效电子元器件乃至特定空间碎片，资源化再生为燃料、金属原料与基建骨料。由此，太空工厂将从传统的物资消耗型体系，升级为具备正向产能增益的自持化系统，真正实现深空探测与空间活动的长期可持续。
5.2 在轨故障诊断技术
基于实时监测数据，对制造过程及设备自身状态进行精准监控与科学评估，是实施精准维护决策、保障系统稳定运行的前提。大型空间结构在轨故障诊断的核心目标，是实时捕捉结构异常信号、精准识别故障隐患，确保其在轨长期稳定服役，主要涵盖结构本体损伤诊断与材料性能劣化评估两大核心维度。
其中，结构本体损伤诊断的重点是精准识别应力形变、裂纹等关键损伤：通过在轨传感器实时采集结构受力动态数据，精准判断是否存在局部应力集中、形变超标，以及裂纹萌生、扩展等潜在问题；同时，重点监测各连接部位状态，排查螺栓松动、焊缝脱开、界面失效等故障——此类故障易导致结构整体稳定性下降，是故障诊断的核心重点环节。此外，还需对结构材料的老化、疲劳累积过程，以及空间环境（辐照、原子氧等）引发的材料劣化现象进行系统评估，及时捕捉材料性能衰减带来的安全隐患，防范故障扩大化。上述所有故障诊断数据均实时回传至地面或空间站本地数字孪生系统，构建起“感知-分析-决策-控制”的闭环管控体系，可在制造过程中实时调整工艺参数，从源头减少故障产品的产生[51]。
除结构本体故障外，大型空间结构在轨故障诊断还需覆盖功能系统异常及辅助链路故障的研判，构建全维度诊断体系。一方面，针对防护层、密封系统、管路等核心功能部件，重点监测防护层剥离、管路堵塞、密封破损等异常情况，此类故障直接影响结构热控、密封等核心功能的正常发挥；另一方面，实时监测结构微振动、刚度衰减等动态性能异常，以及拓展机构卡滞、动作失效等问题，保障结构功能完整性。同时，需重点排查传感器链路故障、数据传输异常等辅助系统隐患，避免因监测链路失效导致故障漏判、误判，确保故障诊断的全面性、准确性与可靠性。
5.3 关键部件在轨更换
太空制造系统实现长期稳定运行，关键在于打印头、送丝机构等核心部件寿终或故障时可在轨更换，这离不开机器人技术与运维导向的专用设计；相关设备普遍采用模块化易拆装架构，将打印头、加热块、送丝电机等做成带快换卡扣、定位燕尾槽及标准电气接口的独立单元，便于机器人精准抓取拆装，同时为规避航天员舱外作业的高难度与高风险，精密更换作业依托空间机械臂、自由飞行机器人开展，正如 Archinaut、OSAM-2 项目通过机械臂与移动打印头协同，既能搭建大型空间结构，也具备精细拆装能力，其 530 h热真空连续测试验证了真空极端温度环境下机械臂的长效可靠性与精度，地面演示也证实了精细装配流程可行，后续再融合机器视觉、智能路径规划、故障诊断与高精度力-力矩反馈控制技术，适配微重力特殊动力学交互特性，即可保障紧固、插拔等精细操作精准完成，最终实现少人乃至无人干预的自主在轨维护。
5.4 在轨连接与修复技术
在轨连接是部件修复与结构对接的核心实施环节，主要分为电子束与钎焊、激光焊接、固态焊接三类技术，凭借各自环境适配与工艺优势，支撑太空材料闭环利用及自主维护能力提升[49]。
太空高真空环境适配电子束焊接切割作业，该技术起步早且多次完成在轨验证。苏联 1969 年、1973 年相继开展舱内空间焊接试验，1984 年完成人类首次舱外电子束焊切操作[52]。美国 2024 年推出电池供电型空间电子束装置，优化了设备安全性与小型化设计。切割回收领域，美国前哨站火星演示1号装置（Outpost Mars Demo-1，OMD-1）实现不锈钢无碎屑在轨切割，可支撑废弃飞行器再利用与在轨平台搭建[53]。国内北京航空航天大学、北京卫星制造厂、中国科学院及哈尔滨工业大学（威海）等团队，已完成电子束焊枪优化、多类航天材料工艺验证与小型高精度装备研发，夯实了本土技术基础[54-55]。
激光焊接能量集中、热影响区小、加工效率高，适配多类航天复杂结构连接需求。2024 年美国团队模拟轨道与月球重力环境，开展高功率激光焊接对照试验，探明重力差异对焊缝形貌、组织与熔池状态的影响规律，为在轨激光焊接工艺落地提供了关键数据支撑[58]。
6 退役与循环阶段的关键技术
太空制造系统的生命周期并非以在轨产品的交付为终点，其闭环设计的最终检验在于安全、有序地退役。此阶段聚焦于最大化资源价值、最小化空间环境负担，核心任务涵盖可重复使用模块的回收与循环、轨道碎片的主动减缓以及设备或结构的受控再入安全。它深度依赖于前序各阶段的技术铺垫，并从工程实践与标准规范层面，确保太空活动的可持续性。
6.1 可重复使用模块回收技术
退役阶段的首要任务是实现资源的原位循环，减少对地球补给的依赖，其技术成熟度因材料类型而异[48]。随着太空任务向长期化、深空化方向演进，传统依赖地面补给的制造模式已难以满足空间任务自主性与可持续性的需求，在轨资源回收与增材制造（3D 打印）的深度融合，成为提升空间制造闭环能力、支撑深空探测与长期驻留任务的核心技术路径。
6.1.1 聚合物回收
以国际空间站为核心验证平台，聚合物材料的在轨回收与再制造已率先实现从概念到工程应用的跨越。NASA开发的 ReFabricator与太空制造公司的 “回收器” 是该领域的代表性装备，二者集成了废料处理、熔融挤出与3D打印功能，可将空间站产生的废弃塑料制品（如食品包装、失效夹具、工具等）通过熔融工艺直接转化为高质量3D打印丝材[61]。其中，“Positrusion”回收系统通过无研磨的熔融工艺避免了粉尘污染，最大程度维持了材料的力学性能，成功实现了由线性低密度聚乙烯制成的包装袋的回收，并制备成可用于材料挤出打印的丝材，实现材料再利用。自 2018 年部署国际空间站以来，该系统多次验证了ULTEM9085等高性能聚合物的多循环打印性能[41]，在微重力环境下表现出优异的稳定性与可重复性，为长期在轨任务的备件原位制造提供了核心支撑。此外，Fateri等研究证实，聚乙烯醇通过溶剂直写法可在太空环境中高效回收再用，性能保持率高，进一步拓展了聚合物回收的技术路径[62]。
6.1.2 复合材料回收
6.1.3 金属材料回收
相较于聚合物与复合材料，金属材料的在轨回收再制造仍处于初期研究阶段，是构建完整太空资源循环体系亟待突破的关键短板，目前还面临熔炼能耗高、微重力下熔滴成型与杂质净化难度大、一体化专用装备缺失等难题，相关技术仅完成地面原理验证，暂无在轨工程化成果；同时现有回收技术仍存在明显瓶颈，聚合物多次循环易出现分子链降解、力学性能衰减，难以应用于高承载构件，太空真空、宇宙辐射与极端温差环境，也对回收设备的耐候性、抗辐射能力及低能耗性能提出严苛要求，而空间废弃物成分复杂，进一步提升了原料分选净化的技术难度，未来在轨制造将向系统化、智能化升级，NASA正依托在轨服务、组装与制造（In-Space Servicing, Assembly, and Manufacturing，ISAM）架构融合机器人与新一代空间技术搭建绿色高效的轨道制造生态，打造具备自主感知、动态调度与智能控制的全流程体系，也是推动太空增材制造走向实用化的关键环节。
6.2 轨道碎片减缓
退役过程必须严格控制新空间碎片的产生，其减缓策略贯穿于制造生命周期，并在退役终端集中体现[51]。
6.2.1 制造过程的碎片源头控制
在轨运行期间，制造工艺本身就需要最大限度地减少废弃物。例如，优先选用熔丝沉积而非粉末床工艺，以规避金属粉末在微重力下难以控制的漂浮风险。设计阶段亦要求采用“非爆炸性、非污染性”的拆解方案，从源头避免退役操作产生有害碎片或污染。
6.2.2 退役设备的安全处理与移除
对于无法回收或需彻底退役的部件，需执行受控离轨操作。集成于制造系统的机器人化操作与高能束技术（如电子束切割、激光切割）可在此过程中发挥关键作用，通过对大型结构实施 “可控切割-折叠-捆绑” 处理，减小其迎风面积或使其便于整体离轨，进而降低在轨意外解体产生大量碎片的概率。此外，设计阶段采用的轻量化拓扑优化结构，因其质量小、迎风面积相对较大，也有助于加快轨道自然衰减，缩短退役部件在轨道上的滞留时间。
6.2.3 离轨与碎片减缓策略
退役操作必须完全适配微重力、高真空、大温变的极端空间环境，所有回收、切割、拆卸工艺都需重新验证其在空间特殊条件下的可行性与安全性。例如，需制定专门的操作规程，防止切割产生的碎屑在轨飘散，同时避免液体润滑剂在真空中挥发、在微重力环境下形成球聚现象，进而污染敏感设备。
6.3 深空与地外退役循环
6.3.1 深空制造系统退役
深空制造系统的退役，聚焦月球、火星等地外驻留制造装备及深空航天器的寿命末期处置，区别于近地空间站退役，其概念与技术源自传统航天器（含深空航天器）安全规范，遵循机构间空间碎片协调委员会《空间碎片减缓指南》（Inter-Agency Space Debris Coordination Committee Space Debris Mitigation Guidelines，IADC SDMG）空间碎片管控准则，继承卫星受控离轨、深空探测器休眠弃置等经验，并结合深空制造需求形成特色体系。目前深空航天器退役已有明确研究与实践，如ESA盖亚探测器被推离L2点进入太阳“退休轨道”；NASA的ISAM/OSAM规划针对深空制造系统，将末期处置与就地回收纳入全流程，国际空间站Refabricator项目为其提供了技术参考。国内高校与航天院所也针对月球基地、深空工厂，开展专属制造设备拆解与就地资源化研究。其退役概念核心源于两大刚需：一是防范结构解体引发空间碎片、规避凯斯勒效应，保障轨道安全；二是应对深空补给难题，确立“退役即资源回流”的闭环逻辑。依托多元成型与固化工艺，退役设备回收后的结构材料，可与地外本土资源、低能耗建造工艺形成联动耦合，拓宽深空制造的资源供给路径与建造形式，助力实现全流程资源循环利用[67-68]。
6.3.2 地外原位资源利用
深空制造系统退役的核心目标之一，是通过退役装备的就地回收再利用，破解深空补给难题、节约资源，为后续制造提供原料支撑，而地外原位资源利用，本质上与这种退役再利用属于同一层面的资源优化逻辑——二者均以“摆脱对地补给依赖、为深空制造持续提供原料”为核心目标。当前，地外原位资源利用已形成多条成熟技术路径，为深空制造提供了稳定的本土原料来源：激光成型方向，搭载微波加热模块的改造打印头可实现模拟月壤快速熔合成型，国内也完成了激光选区烧结制备月壤构件的可行性验证；黏结固化方向，添加氯化镁、磷酸等黏结体系，可实现月壤低温硬化成型，凭借低能耗、易部署优势，适配月面设施与深空工厂基础搭建。此外，利用微生物处理技术，可从月壤、火星风化层中提取富铁组分，制备高韧性3D打印结构材料，突破地外资源仅作填充辅料的局限[69]。未来可将该资源转化工艺与回收、成型、质控体系集成，搭配火星大气二氧化碳资源化利用，大幅降低对地补给依赖，强化深空制造自主运维与持续迭代能力。
7 典型案例分析
基于前文系统拆解的太空工厂全生命周期技术链条，本章将以地面设计与验证、发射上行与部署、在轨运行与拓展、维护升级、退役回收五大核心阶段为框架，对美国NASA Archinaut/OSAM-2项目与中国空间站在轨制造验证项目进行深度技术剖析、横向对比，明确当前太空制造技术的进展与现存瓶颈。
7.1 美国NASA Archinaut/OSAM-2项目[8]
Archinaut项目（后并入OSAM计划）以大型结构舱外自主建造为核心目标，围绕太空工厂全生命周期各阶段展开技术研发与验证，其技术布局与实践重点集中于地面设计与验证、在轨运行与拓展阶段，同时在发射部署、维护升级等环节面临显著挑战。图14 清楚地展示了 OSAM-2项目从 2017 年 Archinaut 第一阶段启动，历经真空热环境打印、硬件测试、初步设计评审（Preliminary Design Review，PDR）、关键设计评审（Critical Design Review，CDR）的推进时间线，但目前尚未实现在轨验证。
地面设计与验证阶段是Archinaut技术突破的核心环节，重点完成了核心设备与制造工艺的设计、集成及极端环境模拟验证。项目核心设计聚焦“扩展结构增材制造机（ESAMM）”与机械臂的协同系统，突破传统固定工作平台的物理尺寸限制，采用熔融沉积成型（FDM）工艺，通过机器人横移系统移动打印头，从设计层面实现连续、任意长度结构制造的技术前提。
在地面验证方面，项目于2017年在美国NASA艾姆斯研究中心的热真空舱内，完成了长达530 h的连续启停打印测试，模拟太空极端环境下的制造场景。测试过程历经数十次暂停与原料补充，最终成功制造出一根长达37.7 m的桁架梁，其规格与国际空间站现役的折叠铰接方形桁架桅杆相当，创下当时最大单件3D打印物体的物理尺寸纪录，从实体验证层面证实了其制造太阳能电池阵支撑梁等实用大型空间结构的可行性。此次测试将空间增材制造大型结构技术的技术成熟度（TRL）从概念验证阶段的3级跃升至原型系统演示环境验证的6级，同时实测出系统打印精度可达±0.1 mm，完成了地面设计验证阶段的核心目标。
发射上行与部署阶段的技术规划为：由携带ESAMM设备和机械臂的航天平台完成发射入轨，随后在轨实现设备部署、调试，为后续在轨制造与组装奠定基础。其衍生任务OSAM-2（原ArchinautOne）的部署蓝图明确为：航天平台入轨后，直接在轨打印并组装两个10 m长的太阳能电池阵支撑横梁，进而构建完整的电池翼阵列。但截至目前，该阶段尚未进入实际执行阶段，发射部署的具体方案、设备在轨调试的技术细节仍未得到实践验证。
在轨运行与拓展阶段的核心目标是实现大型结构的在轨自主制造与组装，拓展太空工厂的制造能力。从技术规划来看，Archinaut技术计划用于在轨制造卫星天线反射器、传感器支架及大型太阳能电池阵，OSAM-2任务则是该阶段的核心实践载体，旨在通过在轨打印与组装，验证大型结构自主建造的可行性，为后续更复杂的太空工厂在轨运行积累经验。但受多种因素限制，该阶段的技术实践尚未启动，在轨运行的可靠性、长时自主制造能力等关键技术指标仍处于理论与地面模拟阶段。
维护升级与退役回收阶段目前尚未有明确技术规划。Archinaut/OSAM-2项目在地面设计与验证阶段取得重大突破，成功实现大型桁架梁的地面热真空环境连续打印，将空间增材制造大型结构技术的TRL等级提升至6级，验证了FDM工艺在大型空间结构制造中的可行性；同时完成了ESAMM设备与机械臂协同系统的设计与地面集成，确立了大型结构舱外自主建造的技术路径。
该项目的现存瓶颈较为突出：一是地面验证与在轨应用存在巨大鸿沟，尽管地面验证达到TRL6级，但OSAM-2任务尚未启动在轨飞行验证，在轨试验时间表未定，类似OSAM-1的大型在轨建设项目已因技术限制、任务延期及成本超支等因素被取消。二是在轨运行核心技术未得到实践验证，系统约2 mm/min的生产速率较低，可能在长时制造过程中引发质量风险，且机械臂与ESAMM设备的在轨协同可靠性、长时自主运行能力仍未经过太空环境检验。三是发射部署、维护升级、退役回收等阶段的技术储备不足，缺乏针对性的技术研发与方案规划，难以支撑项目全生命周期的顺利推进。
7.2 中国空间站在轨制造验证
中国空间站的在轨制造验证选择了差异化的技术路径，以新型材料空间适应性验证、资源循环利用为核心，围绕太空工厂全生命周期各阶段，重点开展地面设计与验证、在轨运行与拓展阶段的技术实践，在材料性能与回收理念上实现特色突破，同时在大型结构制造、长时在轨运行等环节仍面临挑战。
地面设计与验证阶段聚焦高性能复合材料、金属制造工艺的设计与地面验证，为在轨试验奠定基础。在复合材料领域，设计了基于FDM工艺的连续纤维增强复合材料打印链路，选定连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CF/PEEK）作为核心验证材料，完成了地面工艺优化与性能测试，明确了材料打印的核心参数。
发射上行与部署阶段主要完成制造设备、试验样品的发射上行与在轨部署，依托新一代载人飞船试验船、中国空间站、中科宇航力鸿一号遥一飞行器等载体，实现制造设备与试验载荷的在轨投放与调试。2020年5月，依托新一代载人飞船试验船，完成连续纤维增强复合材料的太空3D打印设备部署与试验。
在轨运行与拓展阶段是中国空间站在轨制造验证的核心环节，重点开展材料性能验证、资源循环利用及替代制造路径探索，输出了明确的在轨试验数据。在复合材料制造方面，完成国际上首次连续纤维增强复合材料的太空3D打印，在轨打印的CF/PEEK样件弯曲强度超过480 MPa，弯曲模量超过37 GPa。
在资源循环利用方面，开展连续纤维复合材料逆向熔融抽丝回收技术试验，回收再打印后材料力学性能相较首次打印提升25%；在维护升级与退役回收方面，中国空间站依托自身在轨维护能力，实现制造试验设备的在轨调试、参数优化，针对复合材料打印、金属制造过程中出现的问题，及时调整工艺参数，保障试验顺利推进；在资源回收方面，重点突破复合材料回收再利用技术，实现打印废料的循环利用，为太空工厂资源闭环利用提供技术支撑，但针对制造设备、试验样品的退役回收，尚未开展专项实践，相关技术仍在研发中。
该项目现存瓶颈主要体现在三个方面：一是复合材料在轨制造的稳定性仍需验证；二是大型结构制造能力不足，目前仅完成“样件”级别的打印试验，尚未实现大尺寸构件的长时连续打印；三是退役回收技术储备不足，制造设备、试验废料的在轨拆解与回收技术仍未开展专项实践，难以满足太空工厂全生命周期资源闭环利用的需求。
8 结 论
未来自主闭环的太空工厂发展图景已逐步清晰，人类对空间制造的探索正从“验证太空制造可行性”阶段，逐步迈向“构建可持续、可增值的太空工业体系”阶段。实现这一愿景，其技术复杂度与系统集成难度远超初期预期，要求我们在技术攻坚与战略规划层面实现系统性跃升，需遵循“由易到难、由近及远、分阶段验证、全环节耦合”的核心原则，稳步推进从近地轨道验证到月表/深空应用的全链条发展。
（1）太空工厂的战略价值
首先，需重新认识太空工厂的战略定位，纠正将其核心价值局限于“降低发射成本”的认知偏差。这一视角将严重束缚太空工厂的发展潜力，更具前瞻性的定位是：太空工厂是解锁全新空间能力、开辟颠覆性空间商业模式的核心基础设施，其战略价值主要体现在三个核心维度。
一是能力解锁维度。在轨制造可实现地面发射无法完成的极端规格产品生产，如超精密大口径光学镜坯、超大孔径空间天线等，其带来的科学突破与商业价值，远非传统发射成本节约所能比拟，将从根本上拓展航天装备的设计边界与应用场景。二是资产增值维度。依托在轨制造与服务能力，可对高价值航天器实施在轨燃料补加、模块更换、功能升级等操作，彻底改变航天器“一次性使用”的设计理念与全生命周期管理模式，推动其向“可维护、可升级、可增值的长期太空资产”转型，大幅提升航天投入的综合效益。三是战略纵深维度。在月球及更远深空，依托地外原位资源利用技术，实现辐射防护结构、着陆设施、居住舱等基础设施的原位制造，是深空探索摆脱“地球依赖”、实现可持续发展的核心前提，而太空工厂正是该能力的核心载体，是人类迈向深空的战略基石。
因此，顶层战略需实现根本性转变：从“替代地面制造”转向“创造太空独有价值”，从“成本控制”转向“价值创造”，系统规划仅依托在轨制造与服务可实现的新型空间任务与产业方向，构建覆盖近地、月轨、月表基地的全链路发展格局。
（2）太空工厂的技术体系
当前太空制造领域方兴未艾，核心挑战在于实现多技术在太空极端环境下的可靠协同与稳定运行。结合分阶段发展路径，以下关键技术领域是实现技术跨越的核心隘口。
一是构建工艺适应性与质量信任体系。地面成熟的增材制造等工艺，在微重力、高真空等太空环境下，其熔池动力学、材料微观组织与力学性能将发生显著变化，而在轨实验迭代的成本与周期约束极强。因此，需构建高保真数字孪生模型与地面等效模拟环境，实现太空制造过程的精准预测与性能预判；同时建立行业统一的在轨产品无损检测、质量认证与标准体系，为技术规模化应用奠定信任基础。在分阶段推进中，技术路线将从近地轨道聚合物/复合材料常态化制造与闭环回收起步，逐步攻克金属结构在轨制造能力，最终实现地外资源原位利用，完成从“地球供给”到“原位自给”的技术跨越。
二是在轨机器人自主化与智能化升级。现有在轨机器人以预编程重复作业为主，无法满足太空工厂复杂运营需求。未来太空工厂对机器人的自主性提出了更高要求：需具备非结构化环境下的视觉识别、自主路径规划能力，可根据多源传感反馈实时调整制造工艺参数，在通信延迟或中断场景下自主处置设备故障与异常工况。机器人自主化水平直接决定太空工厂的运营效率、容错能力与人类干预程度。技术发展将逐步实现从航天员主导作业到半自主、再到全自主运行的升级，最终达成数字孪生全局管控、机器人全自主运维的目标。
三是资源闭环与工程经济性权衡。空间废弃物资源化、构建全闭环制造体系是太空工厂的核心目标，但工程实践中需进行严谨的经济性与可行性权衡：并非所有废弃物的回收利用都具备能量与物质层面的合理性。因此，技术攻关需聚焦技术路径清晰、经济性显著或战略必要性高的资源化方向，务实推进渐进式闭环体系建设，而非追求理想化的“全回收”目标。同时，围绕制造、回收、运维、质量四大核心环节，分阶段攻克关键技术，逐步提升航天器全生命周期服务能力，形成完善的工程标准体系，为技术规模化应用提供支撑。
（3）太空工厂的未来生态
孤立的太空工厂难以实现可持续发展，具备生命力的未来空间工业体系，应是分布式、专业化、可互操作的太空制造与服务网络。一是构建分布式协同组网架构。单一独立的制造单元不具备长期存续能力，可持续的空间工业体系，应以分布式、专业化、可互操作为核心特征，搭建一体化太空制造与服务网络，统筹布局各类专业制造节点、集成装配平台与空间智能物流体系，形成覆盖多星体空域的全域制造布局。二是建立统一开放的标准支撑体系。依托规范化的物理接口与信息交互规范，保障多方主体的空间资产可兼容接入、灵活适配，实现跨主体的能力共享与风险共担，为整个生态的互联互通奠定基础。三是依托网络化架构强化体系韧性。通过分布式组网模式，有效应对太空极端环境、单点故障等潜在不确定性风险，提升整体空间工业体系的运行稳定性与抗毁保障能力。
太空工厂的建设是一项系统性工程，如同拼接一幅宏大的马赛克壁画：单项技术是构成画面的独立瓷片，系统集成能力决定了画面的完整性与表现力，而战略愿景则定义了壁画的核心主题。我们绘制太空工厂的构想图，按照技术验证期、商业应用期、深空自主期逐步发展（图15 ），目标建成“地-月-火”深空工厂网，形成完全脱离地球补给的自持型工业生态体系，逐步实现“天造天用”并拓展至“天造地用”。这一发展路径虽漫长且充满挑战，但每一步进展都将推动人类实现本质性转变——让太空从人类临时探索的“目的地”，转变为可长期生存、工作与创新的“新家园”。
