综述：光驱动技术：原理、应用及在太空探索中的前景

《Acta Astronautica》：Light-Driven Technologies: Principles, Applications, and Prospects for Space Exploration

　　金鑫|徐志恒|韩继昌|尹伟桐|唐晓斌
中国南京航空航天大学核科学技术系，南京211106

摘要
由于系统质量低且适用于长时间任务，光驱动推进技术有望成为未来太空探索的重要技术。本综述基于不同的能量-动量转换机制，重点介绍了四类光驱动推进技术：无需推进剂的辐射压力驱动和电子发射驱动推进、需要消耗目标材料的激光烧蚀驱动推进，以及基于热诱导气体动量交换的克努森力驱动推进。这些机制分别由光子动量传递、等离子体反冲、载流子介导的电子发射以及热气体动量交换等物理过程控制，从而能够在不同的空间尺度和工作环境中实现推进功能。本文系统总结了这四种推进技术的基本原理、最新进展及典型的航空航天应用场景，对比分析了它们的推进特性、材料要求、环境适应性及工程限制。同时，重点探讨了制约其实际应用的若干关键问题，包括光帆的结构稳定性、激光烧蚀过程中的等离子体屏蔽、电子发射推进的推力限制，以及克努森力驱动推进对环境的强依赖性。此外，本文还综述了多功能材料、微/纳米结构设计以及多物理场耦合设计方面的最新进展，旨在提升推进效率与运行稳定性。最后，从材料优化、多种驱动机制的协同整合以及大规模工程应用等方面探讨了该技术的未来发展前景。本综述旨在为理解光驱动推进系统中的能量-动量转换机制提供统一框架，从而推动下一代深空及星际探测推进技术的发展。

引言
随着太空探索需求的增加以及能源和推进技术的进步，光驱动推进系统的发展速度日益加快[1][2][3]。凭借清洁、高效且易于控制的优点，光驱动推进技术为基于先进材料的设计、合成与优化提供了新的技术路径，进而推动了跨学科研究和技术发展[4][5][6][7]。尽管具有巨大潜力，但光驱动推进技术仍面临诸多工程难题，如精确的推力控制、自适应姿态调节，以及在复杂工作环境中的可靠性能保障[8][9]。预计在先进材料、结构设计及应用策略方面的持续进步将加速这些技术的实际应用，并使其在未来的太空探索任务中发挥更重要的作用[10][11][12]。

现有研究中对光驱动推进技术给予了大量关注，研究者们致力于探索其背后的驱动机制以及具有光响应特性的功能材料[13][14]。许多研究集中在特定类型的材料或应用场景上，如聚酰亚胺和石墨烯海绵[15][16][17]。此外，还有大量研究系统地探讨了微尺度光驱动推进技术的驱动机制、器件开发及性能优化，形成了较为完善的研发体系[18]。相比之下，针对宏观尺度上光驱动推进技术原理的拓展、对比分析及工程应用的研究相对较少，尚未形成大规模的研究格局[19]。不同研究中对光驱动技术的分析存在差异，这给全面了解其优势、局限及应用带来了挑战，尤其是其底层机制的动态演变及其相关作用方面。

图1展示了光驱动推进技术的发展历程，可分为三个关键阶段。1970年，阿什金等人[20]利用光辐射压力实现了对微米级颗粒的操控，这一重要成就为微观尺度上的光驱动推进奠定了基础。随后发展的光学镊子技术进一步推动了该领域的发展，这一突破性成果在2018年被授予诺贝尔物理学奖[21]。此后，光驱动推进技术逐渐应用于太空领域。1972年，坎特罗维茨[22]提出了基于地面激光的轨道插入概念，将光驱动推进技术从微观操控拓展到了宏观航空航天应用。随着研究的深入，光驱动推进技术逐步从理论概念走向实际应用。2010年，日本“太阳辐射驱动行星间风筝飞行器”（IKAROS）成功发射并完成了行星间飞行任务[23]，这是太阳帆推进技术在工程应用方面的重大里程碑。在任务期间，IKAROS成功展开了面积为196平方米的旋转式太阳帆，在距离地球约1个天文单位的距离处产生了约1.12毫牛的辐射压力推力，从而证明了光辐射压力驱动推进技术用于太空应用的可行性。

从物理原理和应用空间尺度来看，光驱动推进技术的核心驱动机制可分为四类：光辐射压力驱动、激光烧蚀驱动、电子发射驱动和克努森力驱动推进技术。这些机制分别对应于经典动量传递、等离子体反冲、电子激发与传输，以及稀薄气体中的热驱动动量交换，适用于不同的空间尺度和推力范围，如图2所示。

光辐射压力驱动技术依赖于光子动量传递，即光（阳光或激光）与反射/吸收表面之间的动量交换产生辐射压力。以太阳帆为例，通过调整帆面朝向太阳的方向，可以优化推力分布。虽然其推力密度相对较低，但在无阻力的太空环境中，动量的持续积累使得长周期深空任务乃至未来的星际探索方案具备持续加速的可能性。激光烧蚀驱动推进技术利用激光的高能量密度，将激光聚焦到目标表面，使材料瞬间汽化并电离，形成高温等离子体羽流。等离子体羽流向后喷射所产生的反冲力即为推力。与光辐射压力驱动方法相比，该方法具有更高的推力密度和更快的响应速度，适用于微/纳米卫星的轨道调整以及微尺度系统中的短脉冲推力输出。电子发射驱动推进技术基于量子尺度上的电子跃迁效应。在光学激发作用下，材料中的电子会发生定向能级跃迁并迁移，从而产生定向电子发射。由此产生的反冲力可在微观尺度上产生推力。该技术的应用范围主要限于微/纳米系统，在精密操控、微定位及光机械控制方面具有潜在应用价值。克努森力驱动推进技术是一种在微尺度稀薄气体环境中的间接光驱动推进机制。光照会在微电机械系统（MEMS）中产生局部温度梯度。由于温度梯度区域内的动量交换不均匀，稀薄气体分子会产生定向的克努森力。这一机制适用于稀薄气体环境中的光学运动控制。综上，这四种机制构成了从宏观航空航天系统到微纳尺度器件的多尺度光驱动推进技术框架，有助于推动基础研究向工程实践的转化。其中，电子发射驱动推进技术可通过覆盖广泛光谱范围的电磁辐射激活。近期研究还将这一概念扩展到高能辐射激发领域，如X射线，为极端环境下的光驱动推进提供了新可能。

基于对光驱动推进技术研究历史的回顾，本文阐明了其基本原理，重点分析了相关驱动机制及应用方法。本文详细介绍了上述四种光驱动推进技术的研究进展，总结了各类技术的主要问题及标志性成果，旨在促进人们对光驱动推进系统的理解及其未来发展。

文献检索、筛选与研究选择
本综述所涉及的文献来源于Web of Science、Scopus、Google Scholar等主流科学数据库，同时还通过会议论文集、引文追踪以及手工搜索获取。文献检索范围截至2026年3月12日，检索关键词包括“光驱动推进技术”“光辐射压力”“太阳帆”“激光烧蚀”“电子发射”和“克努森力”。为提高透明度和一致性，……

光辐射压力驱动推进机制
光辐射压力驱动的概念起源于1873年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的辐射压力理论[29]。20世纪初，齐奥尔科夫斯基提出了基于辐射压力的太阳帆概念[30]。其基本机制在于光子撞击反射表面时发生的动量传递，从而产生连续的、无需推进剂的微推力[31]。数十年来，这项技术的实际应用一直受到……

激光烧蚀驱动推进机制
激光烧蚀驱动推进的概念诞生于20世纪70年代[60]。其工作原理是通过高能脉冲激光照射固体或液体推进剂，使其产生高温高压等离子体[61]。随后，这些等离子体的膨胀和喷射通过反作用力产生推力。这一机制在20世纪90年代随着微/纳米卫星的发展而被正式提出，被认为是一种极具前景的推进方式……

电子发射驱动推进机制
电子发射驱动推进是一种基于光电效应和动量守恒的新兴概念[48]。当入射光子的能量超过材料的功函数时，价带中的电子会被激发到更高能级，并从表面逸出，形成定向电子流[28][90]。图11展示了电子发射驱动推进技术的工作过程。被发射电子所携带的动量可能……

克努森力驱动推进机制
克努森力与热诱导的稀薄气体流动现象有关，其中包括马丁·克努森在20世纪初系统研究的热蠕变效应[110]。当固体表面存在温度梯度，且特征长度尺度与气体分子平均自由程相当时，就会在稀薄气体环境中出现这种现象。在这种非平衡状态下，气体分子与……

光驱动推进技术的比较评估
为便于从应用角度进行比较，表1和表2总结了四类主要光驱动推进技术的典型性能特点、工程限制及任务适用性。尽管所有系统都依靠光诱导的能量转换过程产生推力，但它们的推进能力、可控性、环境要求及技术成熟度存在显著差异。表1中所总结的TRL等级评估表明……

结论
本文系统地研究了四种典型的光驱动推进技术，即光辐射压力驱动、激光烧蚀驱动、电子发射驱动和克努森力驱动推进系统。本文在统一框架下分析了这些技术的基本原理、最新进展、工程特性及潜在的航空航天应用前景。对于每种机制，本文均阐述了其背后的物理原理、最新研究进展及典型应用场景。

未来展望
尽管在理解光辐射压力效应、激光烧蚀推进、电子发射反冲力以及克努森力驱动机制方面已取得显著进展，但这些技术要从实验室演示阶段迈向可投入实际应用的推进系统，仍面临着若干关键的工程瓶颈。这些机制的共同局限性包括推力与功率效率较低、耦合力贡献之间缺乏完全解耦、材料及……

作者贡献声明
金鑫：撰写——初稿、数据整理、概念构建。徐志恒：撰写——审阅与编辑、监督、方法设计、资金申请。韩继昌：撰写——审阅与编辑。尹伟桐：撰写——审阅与编辑。唐晓斌：撰写——审阅与编辑、监督、方法设计。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12275132和12575362）以及江苏省科协青年人才支持计划（JSTJ-2024-007）的支持。同时，感谢南京航空航天大学显微镜与分析中心的帮助，他们对材料特性进行了描述与分析。