译者按：本文是2023年12月20日，由美国国家航空航天局、国防部、商务部共同编写的《太空制造技术报告》提交给美国国家太空理事会。该报告的名称虽然为太空制造技术（Space Manufacturing Technology），但在技术总结的时并未局限在太空中的制造技术，而是将其和航天产业（Aerospace Industry）和航天制造（Aerospace Manufacturing）的概念放在一起来说，列出七项新兴太空制造技术需求：1）增材制造；2）先进材料；3）机器人及自动化；4）数字制造系统；5）清洁可持续制造；6）电子制造；7）高超音速技术。特别是提到美国能源部、国防部、商务部等资助的制造研究院网络对太空制造的支撑作用，由于美国在航空航天领域有较强的创新力引领能力，太空制造被视为是“美国制造”战略的重要突破口。“美国制造”计划的设立旨在汇聚美国创新力量，联合高校和产业合作伙伴将创新转化为应用技术，确保美国在未来持续保持全球制造业领导地位。
刘金鑫@XJTU
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一、相关背景
2022年9月9日，副总统卡玛拉·哈里斯在德克萨斯州休斯顿的约翰逊航天中心召开了拜登-哈里斯政府第二届国家太空委员会会议。此次会议重点推进政府优先事项，包括扩大太空科学、技术、工程和数学（STEM）教育与劳动力培养、载人太空探索以及商业新型太空活动规则的制定。
为充分释放太空潜力，委员会成员强调需要发展、多样化并加强美国太空相关产业及劳动力队伍。会议达成共识，美国国家航空航天局（NASA）、国防部（DOD）和商务部（DOC）需在2022年9月9日起180天内制定建议，确保太空领域被纳入"美国制造"等联邦计划，以加速国家太空技术制造能力，同时提升产能满足太空工业基地（SIB）日益增长的劳动力需求。
本报告聚焦五个领域，包含14项可由NASA、DOD、DOC及其他联邦部门和机构落实的建议。实施后，这些建议将增进对现有基础设施的理解，明确当前能力与未来太空制造需求。相关实体将支持并在必要时建立联邦部门与机构、工业界、私营组织及学术界之间的国内外新伙伴关系。利益相关方将孵化并加速太空制造创业，同时进一步协调当前和未来支持太空制造技术需求的联邦投资。报告最后提出建议，为不同背景人群拓宽并强化通往太空制造职业的路径。
本报告还包括：
★ 对NASA、DOD和DOC七项新兴太空制造技术需求的描述：1）增材制造；2）先进材料；3）机器人及自动化；4）数字制造系统；5）清洁可持续制造；6）电子制造；7）高超音速技术。
● 对现有公私伙伴关系的讨论，重点扩展当前"美国制造研究院"以实现太空导向成果。
● 对EDA区域资金与太空技术中心协同性的探索。
● 对相关联邦计划（包括霍林斯制造扩展伙伴计划）协同效应的识别。
● 对公共和私营部门协作机遇领域的描述，以支持已确定的需求和建议。
全球航天工业可追溯至60余年前。在随后的太空时代中，世界经历了诸多变革，航天工业深刻改变了我们的生活和工作方式，塑造了历史进程和当今世界格局。在此期间，美国始终保持着技术创新与科学进步的领先地位，成为太空探索领域的卓越国家。
二、内容简介
航天产业具有巨大的经济增长潜力。当前全球航天产业估值超4000亿美元，正处于快速扩张和演变阶段。该领域每年为国家（美国）贸易顺差贡献数百亿美元，为高科技工业基础提供支持与刺激，创造数以万计的高技能高薪岗位。随着行业发展，从生产一线到高管层都将迎来构建多元化人才体系的独特机遇，推动国家公平性与经济繁荣。全球范围内，更多国家进入航天领域将带来国际合作、和平与外交的新契机。
当前航天产业正面临由发射成本下降和太空应用潜力认知所驱动的转型临界点。全球大小企业都对太空利用展现出浓厚兴趣，这要求我们从学术研究到产品交付的全产业链进行变革，以应对未来产业挑战。虽然政府在促进科研发展（R&D）方面发挥关键作用，但蓬勃发展的商业航天产业正推动研发投资热潮，催生各类创新技术。
太空探索始终激发着人类探索宇宙的本能渴望。航天工业具有激励各年龄人群的独特力量，其对教育、文化、科学和经济的影响不可否认。它激励年轻人投身STEM职业，也通过科幻文学、影视、艺术等形式深刻塑造着流行文化。
【注：STEM教育是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育的总称。STEM教育旨在通过跨学科的方法，培养学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，以应对21世纪的挑战和需求】
制造业与太空经济：当前太空系统研发周期过长、成本过高，高昂的运营成本限制了新竞争者加入。制造技术进步将在维持美国全球产业领导地位中起决定性作用。在欧洲，欧空局先进制造计划的核心目标是识别并引入颠覆性材料与工艺。2022年美国国家科技委员会（NSTC）《先进制造国家战略》指出："美国制造业的进步使经济持续增长，新技术与创新提升生产力，催生下一代产品，增强应对气候危机能力，并创造优质高薪岗位"。该战略建议将太空制造列为政府机构优先事项。
技术驱动着探索与太空经济发展。NASA太空技术任务局（STMD）肩负开发变革性跨领域技术的使命，旨在提升能力并降低NASA、商业及其他政府任务成本。通过该部门，NASA与政府机构、国家航空航天业及学术界合作，在全技术谱系开展太空制造技术投资。
制造业、STEM教育与劳动力发展：先进制造技术的爆发式发展及相应的教育革新，预计将在日益激烈的全球太空市场竞争中发挥推动创新与效率的关键作用。整个航天工业、先进制造业和劳动力发展三者紧密关联，因为它们都高度依赖技术与STEM教育。特别是STEM教育为劳动力发展提供了开发和实施先进制造技术所需的知识与技能，例如数字化设计与制造、机器人技术和材料科学。此外，随着数字与物理技术的融合正在改变端到端制造运营的工作方式，航天制造业对STEM相关岗位（如工程师、科学家和技术人员）的需求持续高涨。本报告基于国家科技委员会（NSTC）最新发布的《太空相关STEM教育与劳动力发展跨部门路线图》，该路线图代表了联邦政府将采取的首批协调行动，并将指导未来太空STEM教育与劳动力战略制定。
本报告是跨部门协作的成果。建议已提交相关部门和机构参考，以便其在制定优先事项、活动计划和未来预算申请时考量。各项活动的启动时间已设定预期目标，进展和完成情况将定期向国家太空委员会汇报。预计每项建议都需要进一步审议，以明确适用权限/拨款、成本与进度资源、对当前活动及投资的影响，以及跨部门协调等事项。报告还指明了相关部门和机构可深入参与互补性活动的重点领域。
三、优先投资NASA、国防部和商务部的新兴太空制造技术
增材制造、人工智能、机器人技术、生物技术和新材料等领域的技术突破，正在为太空制造创造新机遇。为保持全球竞争力，美国必须持续开发和实施创新制造技术。推动这些新兴技术发展需要研发投资、协作伙伴关系，以及鼓励持续学习与创新的环境。
联邦跨部门协作将通过整合多元任务视角、技能和知识，建立实验与学习文化，催生全新解决方案，加速创新进程。此外，联邦政府应联合工业界和学术界，共同投资应用研究及产业相关制造技术。以下变革性、跨领域技术方向将受益于集中关注、多机构协作和公私合作伙伴关系。
3.1 新兴太空制造技术清单
1 增材制造
增材制造（AM）又称3D打印，是"根据三维模型数据逐层堆积材料制造零件的工艺，与减材制造和成形制造方法形成鲜明对比"。该技术能实现传统方法难以加工的复杂几何形状和内部结构，可显著优化成本与工期。增材制造正在彻底改变设计和制造模式，推动多领域硬件建造技术革新。
2 先进材料
包括复合材料、陶瓷、轻质金属、纳米技术和生物技术等领域的材料创新，可融合生成具有增强特性（如更高强度、耐久性和生物相容性）的新型材料。这些材料在太空技术中具有广泛应用前景。开发先进材料潜力的关键要求包括：建立更高效的稀土金属识别与合作机制、发展清洁提取工艺，以及完善太空系统专用材料的组件制造方法。
3 机器人技术与自动化
通过提升制造流程的效率和精度，实现更短生产周期与更低人力成本，支持危险环境作业或替代高危人工操作，并能与数字化制造技术（如增材制造）集成创新。优化机器人自动化应用将打造更高可靠性的生产线，从而提升太空系统整体稳定性。
4 数字化制造系统
太空产业正加速向数据驱动转型。几乎所有现代制造设备与基础设施都已实现一定程度的计算机化，智能制造系统运用物联网、人工智能、虚拟现实和数字孪生等先进技术，通过数字化手段替代实体作业，实现制造流程的信息化、优化与自动化。
5 清洁可持续制造
现代制造技术采用能最大限度减少或消除对环境和人类健康负面影响的方法与工艺，同时实现资源与能源节约。这些技术可设计出减少或消除危险物质使用的化学产品及工艺流程，并为闭环制造提供可能——将废料和副产品在制造过程中循环利用而非直接废弃。
6 电子器件制造
该领域技术能实现太空元器件的大规模精确可靠性生产，并制造具有卓越性能的太空级半导体。典型应用包括：抗辐射芯片设计、氮化镓(GaN)和磷化铟(InP)元件、大型焦平面阵列及太阳能电池板。这些技术进步将推动具有成本效益的国产电气/电子/机电"三电"组件（用于太空线缆与连接器）的本土化生产。
7 高超声速技术
对高超声速飞行器研发与持续进步至关重要的制造技术，是推动太空产业持续发展的关键因素。主要包括：耐超高温材料、热防护系统、推进系统以及能承受太空飞行高超声速阶段气动热载荷的轻质高强度结构等技术的开发。
3.2 建议：
1.1 各机构应建立并维护新兴太空制造技术能力清单，同步记录技术缺口与在研项目。通过国家科技委员会(NSTC)下设的先进制造、纳米技术和材料基因组分委会等跨部门协调机制，促进技术成果共享与应用转化。（牵头：NASA；配合：商务部、国防部、NSTC）（持续开展）
1.2 与政府其他部门、工业界、私营机构及学术界建立太空制造技术合作伙伴关系。建议组建国家联盟，加强政府-产业-学界三方沟通，共同评估技术需求与发展机遇。（牵头：NASA；配合：商务部、国防部）（2024年第四季度启动）
1.3 加强国际合作，评估通过国际协同实现共同目标对提升美国竞争力的作用。（牵头：国务院；配合：商务部、国防部、NASA）（持续开展）
3.3 机遇：
1.A 通过跨部门协作优先投资太空制造技术研发，包括支持新兴太空产业的军民两用技术开发。
1.B 推动联邦技术转移，通过向私营部门授权技术，促进政府资助的太空制造研发成果商业化及公共应用。
1.C 确保研究工作优先关注协同发展，即以环境可持续技术为核心，提升太空制造技术解决方案的效能。
1.D 探索政策影响，确保太空制造技术相关的货物、产品、材料及服务采购来源有助于美国企业在航天产业中保持竞争力。
四、现有公私合作伙伴关系的探索
聚焦扩展当前"美国制造"研究院体系以实现太空制造目标。太空制造技术的开发与应用正受到学术界和工业界的广泛关注，这一点从近期获得美国国家标准与技术研究院（NIST）先进制造办公室"先进制造技术路线图"的跨领域参与者构成中可见一斑。通过路线图制定过程中的团队协作，各参与方已验证工业界对太空制造的兴趣，但该兴趣取决于进一步降低技术风险及明确的市场需求信号。
“美国制造”计划的设立旨在汇聚美国创新力量，联合高校和产业合作伙伴将创新转化为应用技术，确保美国在未来持续保持全球制造业领导地位。如图1所示，"美国制造"网络通过若干制造创新研究院及其主管联邦机构（美国商务部、国防部和能源部）培育先进制造技术的协作开发。2022年，这些研究院参与了700多个重大应用研发项目，涉及2500多家不同机构，并为超过10.6万人提供了先进制造业人才发展与培训。通过首先利用现有"美国制造"研究院的能力应对太空制造挑战，该模式可助力发展强大的国内太空制造产业。
图1美国制造业网络研究院的领域与地点，由美国商务部、能源部和国防部支持
1. Bioindustrial Manufacturing：生物工业制造，地点：明尼苏达州圣保罗
2. Advanced Materials：先进材料，地点：密歇根州底特律
3. Sustainable Manufacturing：可持续制造，地点：纽约州罗切斯特
4. Integrated Photonics：集成光子学，地点：纽约州奥本尼
5. Regenerative Manufacturing：再生制造，地点：新罕布什尔州曼彻斯特
6. Digital Manufacturing & Cybersecurity：数码制造与网络安全，地点：伊利诺伊州芝加哥
7. Flexible Hybrid Electronics：柔性混合电子，地点：加利福尼亚州圣何塞
8. Modular Chemical Process Intensification：模块化化学过程强化，地点：纽约市
9. Advanced Fibers and Textiles：先进纤维与纺织品，地点：马萨诸塞州剑桥
10. Advanced Robotics & AI：先进机器人与人工智能，地点：宾夕法尼亚州匹兹堡
11. Biopharmaceutical Manufacturing：生物制药制造，地点：特拉华州纽瓦克
12. Wide Bandgap Semiconductors：宽带隙半导体，地点：北卡罗来纳州罗利
13. Advanced Composites：先进复合材料，地点：田纳西州诺克斯维尔
14. Cybersecurity in Manufacturing：制造业网络安全，地点：德克萨斯州圣安东尼奥
15. Additive Manufacturing：增材制造，地点：俄亥俄州扬斯敦
16. Americas Makes：美洲制造，地点：德克萨斯州埃尔帕索
17. Industrial Process Decarbonization：工业过程去碳化，地点：亚利桑那州坦佩
18. Smart Manufacturing：智能制造，地点：加利福尼亚州洛杉矶
建议：
2.1 支持由NIST主导的先进制造技术路线图关于太空制造的规划，以明确太空制造优先事项、技术发展缺口及合作机遇。（牵头机构：美国商务部；支持机构：国防部、能源部、NASA）（持续进行）
2.2 评估工业界需求及通过现有或新建"美国制造"网络研究院满足未来任务要求的能力。该建议与《2022年芯片与科学法案》目标一致。（牵头机构：美国商务部；支持机构：NASA及国防部）（2024年第二季度）
2.3 将"美国制造"网络与经济开发署（EDA）的创业项目、实践社区、商业化及劳动力培训计划相衔接，应用于太空制造领域。（牵头机构：美国商务部；支持机构：国防部及NASA）（持续进行）
机遇：
2.A 鼓励对现有"美国制造"研究院中可支撑航空航天制造的技术项目进行识别、协调并追加资金支持。
2.B 与制造扩展伙伴计划（MEP）合作，为中小型制造商（SMMs）建立与新旧"美国制造"研究院在太空制造领域的合作机制。
五、区域经济技术发展署对太空相关技术中心的资助探索
美国商务部下属的经济开发署（EDA）通过提供财政援助，以公平包容的方式促进社区和区域的创新与创业经济发展，并支持关键基础设施、系统和网络建设，助力企业在美国创立、选址和扩张。
EDA的战略投资旨在为美国劳动者提供创新企业所需的技能。基于EDA在区域经济能力建设方面的经验，国会近期根据《2022年芯片与科学法案》授权，为"区域技术与创新中心计划"（"科技中心计划"）拨款5亿美元作为启动资金，该计划远期规模预计达100亿美元。科技中心的投资目标是通过推动区域经济在关键产业（包括先进制造与航空航天领域）实现自我持续增长，从而增强美国经济与国家安全，确保美国在未来产业中的全球领导地位。
建议：
3.1 太空制造技术创业：EDA应探索与NASA、NIST、国防部及其他相关机构合作设立联合资助机制，为太空制造领域创业者培育和加速新企业提供能力建设。（牵头机构：美国商务部；支持机构：NASA及国防部）（2024年第三季度）
3.2 区域技术商业化与示范基础设施：EDA应探索与相关机构合作设立资助项目，建设共享基础设施（如创客空间、示范设施、公共实验室等），加速太空制造领域创业者将新产品推向市场的进程。（牵头机构：美国商务部；支持机构：NASA及国防部）（2024年第三季度）
机遇：
3.A 利用现有网络：EDA建立并维护了多个实践社区，其中两个聚焦经济发展与技术创新及制造业的交叉领域。EDA应邀请相关机构加入这些实践社区，共同交流支持具有太空制造能力或潜力区域经济的策略。
六、与相关联邦计划的协同效应识别（含霍林斯制造扩展伙伴计划/MEP）
制造扩展伙伴（MEP）计划的使命是强化并赋能美国制造商，为其提供成功所需的资源。该计划通过网络安全、供应链优化、工业4.0、半导体、食品安全、员工培训及各类改进项目融资等举措支持中小型制造商（SMMs）。MEP特别适合促进和协调公私合作伙伴关系，以协助美国SMMs进入太空技术领域。例如，MEP与NASA的智能制造重点方向相契合，通过帮助航空航天及运输企业整合工厂内及跨供应链的物理与数字化流程，优化当前及未来的供需要求，服务范围涵盖增材制造、自动化、机器人及网络安全。
建议：
4.1 识别并接触10-20家具备扩展和/或转型航空航天领域能力潜力的SMMs，参照新冠疫情期间对个人防护装备供应商的支持模式。（牵头机构：美国商务部；支持机构：NASA及国防部）（2024年第二季度）
4.2 与"美国制造"研究院、联邦机构及国家实验室建立至少三项合作，支持太空制造技术向SMMs转移以惠及航空航天领域。（牵头机构：美国商务部；支持机构：NASA及国防部）（2024年第三季度）
4.3 与拟议的"美国制造"网络中太空制造专项研究院密切协作，充分利用计划间的战略与运营协同效应，确保供应链、劳动力及技术/创新等议题在讨论和最终实施中得到充分考虑。（牵头机构：NASA；支持机构：商务部、国防部、能源部）（2024年第四季度）
机遇：
4.A 利用MEP现有约20个高校/社区中心MEP中心网络，促进SMMs、大学研究机构与社区学院在太空制造技术及劳动力发展方面的合作。
4.B 加强MEP与NASA现有合作，更精准把握太空技术领域对MEP服务的关键需求与机遇。
七、通过教育与劳动力发展计划满足太空工业基地(SIB)的劳动力需求
航天工业为国家高技术产业基础提供支撑和激励，创造数千个高薪技术岗位。随着该领域发展，它为构建多元化、包容性劳动力队伍，推进国家公平与经济繁荣提供了独特机遇。联邦政府将领导公共和私营部门利益相关者共同促进SIB的持续发展。NASA与国防部肩负太空任务使命，其对SIB特性及发展的专业认知使其成为联邦主导该工作的最适机构。本文件倡导采用区域化方法实施三项建议，供NASA和国防部在咨询联邦机构及国家科技委员会太空相关STEM教育与劳动力跨部门路线图工作组时参考。
建议：
5.1 通过提升先进制造业职业认知、吸纳弱势群体参与、消除服务不足群体的社会障碍，扩大并多元化航天制造业的先进制造人才库（牵头：国防部；支持：NASA、商务部、教育部）（持续进行）
5.2 劳动力培训：探索扩展至少一个现有经济发展局(EDA)项目（如STEM人才挑战计划），与其他机构合作专项满足航空航天培训需求（牵头：商务部；支持：NASA和国防部）（2024年第二季度）
5.3 识别制造业扩展合作计划(MEP)中与航天领域相关的劳动力发展服务，并在MEP全国网络中推广。扩展MEP现有航天制造业劳动力服务需联合社区学院、高校及行业协会开展针对性招聘、留任和再培训（牵头：商务部；支持：NASA、国防部、能源部）（2023年第四季度）
机遇：
5.A 通过向地区教育工作者引入先进制造作为STEM教育组成部分，借助区域专项拨款和产业支持的先进制造教育计划推动传统区域职业技术教育现代化，从而发展、扩大和推广先进制造教育培训。此项工作可咨询劳工部协同开展。
5.B 通过鼓励SIB制造商扩展在职学习与学徒计划，追踪职业要求变化并定义航天专用先进制造岗位新资质，强化雇主与教育机构联系。
5.C 重点提升航天领域领导层多样性。代表性至关重要——当（历史上）被排斥群体看到类似背景者担任领导职务时，其加入该领域劳动力的可能性显著提高。因此必须同步关注劳动力管道的两端——从生产一线到高管层。
编写人员
商务部：Albert Alston，Mojdeh Bahar，Perry Brody，Richard Dalbello，Amanda Kosty，Jyoti Malhotra，Michael Molnar，Eric Smith，Donald Ufford
国防部：Michael Britt-Crane，Keith DeVries，Tracy Frost，Michael Parkyn
国家航空航天局：Alicia Brown，Ashley Edwards，Justin Jackson，Christopher Protz，Kartik Sheth，John Vickers，Kenneth Wright，Thomas Zimmerman
白宫国家太空委员会：Quincy Brown
