石墨烯光推進原理分析及光驅(qū)動特性測試研究①

楊文將,劉潤澤,向紅軍,趙 鵬,鄧富文,樊子郴,黃彬彧,湯海濱

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100191)

0 引言

空間推進技術(shù)可分為化學(xué)推進、電推進、光推進等新型推進方式。化學(xué)推進是利用化學(xué)反應(yīng)對攜帶推進劑進行加速的有工質(zhì)型推進方式[1],電推進是一種利用電能加速推進工質(zhì)的推進技術(shù)[2]。然而,光推進是通過太陽光或其他光源使物體獲得一定動能的無工質(zhì)推進方式,近年來光推進技術(shù)吸引了科學(xué)家們的關(guān)注[3]。

利用光束,研究人員已經(jīng)實現(xiàn)在微觀尺度上追蹤[4]、移動[5]、懸浮[6]、拖拽[7]微小物質(zhì)(如原子和分子、活細胞和病毒),甚至拖拽納米、微米大小的石墨烯薄片[8]。宏觀上,科學(xué)家嘗試利用太陽風(fēng)帆來獲得航天器的動力。日本于2010年成功發(fā)射IKAROS小型太陽帆試驗飛船,該飛船僅需太陽光即可實現(xiàn)長距離空間飛行,目前該飛船已飛過金星[9]。NASA于2011年成功將“納米帆-D”與FASTSAT衛(wèi)星分離,小型太陽帆展開后將大大縮短衛(wèi)星離軌所需時間,并且不需要傳統(tǒng)衛(wèi)星所需的推進劑[10]。美國SpaceX獵鷹重型火箭于2019年攜帶LightSail 2衛(wèi)星發(fā)射升空,該衛(wèi)星利用太陽能推動大型反光太陽帆,成功完成繞地球軌道飛行。

隨著對石墨烯材料的深入研究,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這一材料具有獨特的光學(xué)和電動力學(xué)性能[11]。石墨烯具有高強度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低密度、耐超高溫和低電阻等特點,為光推進技術(shù)發(fā)展提供了重要前提。研究人員開始嘗試利用激光或日光對大塊石墨烯進行照射,實現(xiàn)宏觀層面的推進及控制。ZHANG在Nature發(fā)表了石墨烯光推進技術(shù)的研究成果[13]。通過使用激光照射真空管中的石墨烯海綿,成功在宏觀尺度上實現(xiàn)石墨烯光推進。研究發(fā)現(xiàn)推進高度與激光波長成反比,與激光照射功率密度成正比,該團隊認為產(chǎn)生推進現(xiàn)象的機理為電子射流。WANG等[16]分別在高真空和低真空環(huán)境下對石墨烯光驅(qū)動進行對比實驗。低真空環(huán)境中,激光照射會使石墨烯海綿塊發(fā)生劇烈鐘擺運動,而高真空環(huán)境下則無明顯現(xiàn)象。研究人員推測電子射流產(chǎn)生推力過小,產(chǎn)生光驅(qū)動現(xiàn)象的主要原因是Knudsen力。趙闊[14]模擬日光條件對石墨烯進行照射,發(fā)現(xiàn)推力大小在微牛級且與有效光照面積成正比,和石墨烯本身質(zhì)量無關(guān)。QIN等[15]利用多層氧化石墨烯薄片制作了基于激光照射的微型驅(qū)動器,該裝置可通過飛秒激光照射實現(xiàn)光驅(qū)動。GAUDENZI等[18]制作了由銅網(wǎng)格支撐的石墨烯微膜2D帆葉,在微重力環(huán)境下實現(xiàn)了帆葉的光誘導(dǎo)位移。然而,產(chǎn)生推進現(xiàn)象的機制以及石墨烯在2D帆葉加速度中起到的作用有待進一步實驗確定。

得益于上述實驗現(xiàn)象及優(yōu)勢,使得石墨烯在光學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的研究及應(yīng)用價值。然而,關(guān)于產(chǎn)生石墨烯光推進現(xiàn)象的機理目前仍存在爭議。不同于光帆推進技術(shù)中光子的動量交換[17],有學(xué)者認為產(chǎn)生石墨烯光推進現(xiàn)象的原因是電子射流[13],也有其他學(xué)者認為推力的來源是氣體分子熱運動的動量交換導(dǎo)致[16]。本文圍繞著石墨烯光推進現(xiàn)象的多種機理,介紹了石墨烯光推進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,討論了電子射流、Knudsen力、激光燒蝕三種解釋石墨烯光推進的工作原理假設(shè),簡要計算了電子射流力和Knudsen力產(chǎn)生的驅(qū)動力數(shù)量級。利用懸絲擺動的微小力測量方法,進行了石墨烯光驅(qū)動力特性測試實驗,研究了真空度及激光性能參數(shù)兩方面對光驅(qū)動力大小的影響。

1 石墨烯光驅(qū)動現(xiàn)象的工作機理

1.1 石墨烯結(jié)構(gòu)及其特性

石墨烯是一種平面薄膜材料,其由碳原子以sp2雜化軌道組成,并形成六角型、呈蜂巢晶格的結(jié),其厚度僅有一個碳原子[22]。圖1為石墨烯在電鏡下的掃描照片。本文研究的是一種三維宏觀塊狀材料——石墨烯海綿。該材料是由石墨烯片層經(jīng)過特定的還原方法構(gòu)建而成,其空間組裝方式與其他石墨烯宏觀體不同,因此具有獨特的本征性能,這些性能在很大程度上可變化。石墨烯海綿的多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出疏松狀態(tài),內(nèi)部孔洞尺寸范圍從數(shù)微米到上百微米不等,并且這些孔洞由連接片層相互接合形成。由于其具有高孔隙率、低密度等眾多卓越的理化性質(zhì),如高韌性、低透光率率、低導(dǎo)熱系數(shù)[20]和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,能夠作為較好的保溫材料[21]。

1.2 電子射流原理

綜上所述,石墨烯具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)——Dirac錐[19],激光照射石墨烯表面時,處于價帶的電子吸收光能躍遷到導(dǎo)帶形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)。電子吸收到一定能量時發(fā)生俄歇效應(yīng),作為自由電子從石墨烯表面噴射溢出形成電子射流。電子射流是一個能量轉(zhuǎn)換過程,即光能轉(zhuǎn)換成自由電子的動能。表面噴射溢出的自由電子,將沿激光傳播方向產(chǎn)生一個凈推力,推動石墨烯塊發(fā)生運動,原理如圖2所示。

圖2 電子射流推進原理圖

自由電子的溢出并非完全定向,但大部分仍垂直于石墨烯海綿表面射出。根據(jù)牛頓運動定律,可得電子噴射產(chǎn)生的推力Felectron為

(1)

式中fe為電子數(shù)通量;me為電子質(zhì)量;Ve為電子速度;Qe為電子平均動能。

引用 文獻[13]中參數(shù),在波長450 mm、輸出功率3 W、激光功率密度8.57×104mW/cm2的照射條件下,電子數(shù)通量fe=5.6×1012s-1,輸出電流為8.96×10-7A,電子質(zhì)量me=9.1×10-31kg,電子平均動能Qe=70 eV=70×1.6×10-19J。將上述參數(shù)帶入式(1),計算可得推力Felectron=2.53×10-11N。

設(shè)當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.8 m/s2,石墨烯海綿質(zhì)量m=0.87 mg,則石墨烯所受重力約為G=8.53×10-6N。對比G和Felectron可得,電子射流產(chǎn)生的推力遠小于石墨烯自身重力。因此,電子射流對石墨烯光推進的影響十分有限,不足以推動石墨烯在垂直方向上產(chǎn)生運動,距離空間驅(qū)動的要求相距甚遠。

1.3 Knudsen力原理

當(dāng)固體在稀薄氣體中被激光照射時,根據(jù)圖3所示,會受到Knudsen力的作用。當(dāng)流場特征尺寸與氣體分子平均自由程相近時,碰撞固體壁面的氣體分子會向著壁面附近區(qū)域運動,并攜帶著之前碰撞壁面的信息(比如壁面溫度),此過程中該分子僅發(fā)生了較少或者沒有與其他分子的碰撞。因此在非等溫壁面附近,從沿溫度梯度方向的熱端出發(fā)飛行經(jīng)過一個平均自由程的分子,其平均速度要比從冷端出發(fā)的分子更大,這會對壁面造成一個與溫度梯度方向相反的沖量[23],使固體壁面受到從熱端指向冷端的力[24]。

圖3 Knudsen力推進原理圖

先前對Knudsen力的研究主要集中于固體周圍氣體的流動情況,但是當(dāng)通道內(nèi)壁存在溫度梯度時,也可能出現(xiàn)光生熱現(xiàn)象引起的物質(zhì)流動,這種現(xiàn)象被稱為熱蒸騰或者熱蠕變效應(yīng)[25]。Knudsen力背后的物理機制與流場中的努森數(shù)密切相關(guān):

Kn=λ/l

(2)

式中λ為氣體分子平均自由程;l為流動的特征長度尺度。

以室溫下的空氣為例,其平均自由程約為70 nm,該數(shù)值與氣體絕對溫度成正比,與氣體壓力成反比[26]。在一定真空度下,分子之間碰撞的頻率相對于分子與固壁碰撞的頻率開始變低,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)氣體分子的速度分布偏離熱力學(xué)平衡態(tài)分布。此時,用于描述近平衡態(tài)流動的經(jīng)典宏觀流體動力學(xué) Navier-Stokes-Fourier (NSF) 方程不再適用[23]。一般地,通過流場特征長度尺度與氣體分子平均自由程的比值即Kn數(shù)判斷流體系統(tǒng)是否處于非平衡狀態(tài)[27],如圖4所示。

圖4 根據(jù)Kn劃分的四個區(qū)域

當(dāng)流動滿足Kn<0.001時,即為連續(xù)流區(qū)域;氣體呈近平衡態(tài)流動,物體兩側(cè)溫度梯度較小且不明顯。當(dāng)0.00110 時,氣體處在高度稀薄的自由分子區(qū);物體表面與氣體分子碰撞較少,可以近似認為沒有碰撞,此時為自由分子流區(qū)域,流體對物體運動的影響微弱[23]。

在真空度較低的環(huán)境下,石墨烯海綿塊的疏松多孔結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部存在較多空氣,導(dǎo)致其導(dǎo)熱率相對于高真空度環(huán)境有所提升。因此,在激光照射石墨烯海綿塊時,其兩側(cè)不會形成明顯的溫度差,因此在室壓或高壓環(huán)境中試驗現(xiàn)象不明顯。而在高真空環(huán)境中,由于氣體分子較少,石墨烯海綿塊的導(dǎo)熱率下降,光熱轉(zhuǎn)化能力提高,從而導(dǎo)致海綿塊兩側(cè)產(chǎn)生溫度差,形成壓力差。當(dāng)真空度進一步升高時,由于環(huán)境壓強極低,即使石墨烯表面存在溫差,由于氣體分子數(shù)量減少,導(dǎo)致產(chǎn)生的推力逐漸微弱。

根據(jù)文獻[16]中石墨烯塊受力情況,得出激光誘導(dǎo)產(chǎn)生推力Flaser為

Flaser=G·tanθ0

(3)

式中G為實驗裝置所受重力;θ0為裝置偏轉(zhuǎn)角度。

引用 文獻[16]中參數(shù),實驗裝置總質(zhì)量約為147 mg,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.8 m/s2,實驗測得偏轉(zhuǎn)角度θ0≈0.1°。將上述參數(shù)代入式(3),得出在文獻[16]的實驗條件下激光誘導(dǎo)產(chǎn)生推力約為2.5 μN,數(shù)量級在微牛級,能夠使石墨烯海綿發(fā)生運動。

1.4 激光燒蝕反推力原理

1972 年,美國KANTROWITZ首先清晰地指出了激光燒蝕推進的概念[29]。激光燒蝕推進是指由于靶材表面熔融和氣化,形成高速反噴的等離子體羽流,使其獲得沖量的現(xiàn)象[31],所產(chǎn)生的比沖遠高于傳統(tǒng)化學(xué)火箭推進[30],原理如圖5所示。文獻[13]推測石墨烯光推進的推力可能是由激光燒蝕所引起,研究人員對質(zhì)量為3 mg的石墨烯海綿進行測試:每個樣本被激光照射40次或更多次,使用精度為±0.01 mg的電子天平測量實驗前后石墨烯海綿樣品的重量,發(fā)現(xiàn)石墨烯的質(zhì)量沒有明顯變化。隨后,研究人員使用OA-TOF質(zhì)譜儀對樣本進行表征,未檢測到石墨烯微顆粒,表明石墨烯海綿未在激光照射后從表面脫落。

圖5 激光燒蝕推進原理圖

在本文實驗中,使用的石墨烯海綿塊尺寸規(guī)格較大,采用的激光功率較小且光斑較大,最高功率僅有2.8 W,故而單位面積的熱功率較小,激光照射使石墨烯海綿塊表面的溫升較低。因此,石墨烯海綿是否受到激光燒蝕取決于許多因素,如激光照射功率、光斑面積和石墨烯的本征特性等。若激光輻射功率低,照射時間短,將導(dǎo)致石墨烯海綿照射表面的溫升較低,發(fā)生燒蝕現(xiàn)象的概率也較低。因此,在石墨烯海綿光推進現(xiàn)象中,可能存在燒蝕現(xiàn)象,但是激光燒蝕對光推進現(xiàn)象的影響相對較小。

2 石墨烯光驅(qū)動特性實驗測試研究

如前所述,Knudsen力這一假設(shè)產(chǎn)生驅(qū)動力約為微牛級,電子射流假設(shè)產(chǎn)生推力約在10-11N量級,遠小于石墨本身重力。石墨烯光推進產(chǎn)生驅(qū)動力較小,無法直接對其進行測量。本文利用懸絲擺動微小力的間接測量方法,分析石墨烯在不同真空度、激光性能參數(shù)的條件下產(chǎn)生推進力的特性。

2.1 實驗系統(tǒng)及實驗方法

實驗系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:銅絲(0.05 mm)、激光發(fā)射器(波長405 nm,功率0～2.8 W可調(diào),光斑面積為27.8 mm2)、石墨烯海綿、真空艙、高速攝像機和熱像儀等。在本研究中,選用了密度低、孔隙率高、疏水性好、可反復(fù)壓縮回彈的石墨烯海綿。相較于一般的氣凝膠,該石墨烯海綿具有更為疏松的孔隙結(jié)構(gòu)和更薄的連接片層,透光率低,導(dǎo)熱性較差,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的光熱轉(zhuǎn)換。實驗使用的石墨烯海綿純度達到99%,直徑為2 cm,高為2.5 cm,密度為3 kg/m3,總重量約為23.6 mg。實驗裝置及石墨烯海綿受力簡圖如圖6所示。

圖6 石墨烯海綿實驗裝置圖及受力分析

待艙內(nèi)氣壓降低至所需,調(diào)整激光照射器至合適功率,透過觀察窗對艙內(nèi)石墨烯海綿進行持續(xù)照射。石墨烯海綿受光驅(qū)動力作用將產(chǎn)生一定擺角,如圖7(a)和(b)為1 Pa壓力環(huán)境下,采用2.8 W激光功率照射的實驗現(xiàn)象。利用高速攝像機對石墨鐘擺運動進行記錄,通過受力分析計算得出光驅(qū)動力大小。

圖7 1 Pa下2.8 W激光功率照射的實驗現(xiàn)象

石墨烯海綿所受光驅(qū)動力FP可表示為

FP=GP·tanθ

(4)

式中GP為石墨烯海綿所受重力;θ為石墨烯海綿偏轉(zhuǎn)角度。

石墨烯海綿質(zhì)量m≈23.6 mg,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間=9.8 m/s2,可得石墨受重力GP為

GP=mg≈231.3 μN

(5)

將GP帶入式(4),則光驅(qū)動力FP可表示為

FP=231.3·tanθ

(6)

后續(xù)實驗可通過測得石墨烯海綿最大擺角,推算出其所受光驅(qū)動力大小。需要指出的是,受光學(xué)成像影響,因此在測量最大擺角過程中會存在一定誤差,經(jīng)計算偏轉(zhuǎn)角度測量誤差在±0.05°,因此需要對式(6)進行修正,可得光驅(qū)動力FP約為

FP=231.3·tan(θ±0.05°)

(7)

2.2 石墨烯海綿表面溫度表征

正如前文所述,石墨烯海綿透光率低,導(dǎo)熱性較差,文獻[19]中指出石墨烯海綿塊在低壓(5Pa)條件下的導(dǎo)熱率為0.014 W/(m·K)。本文通過利用熱像儀,對石墨烯海綿受激光照射一側(cè)(后稱受照射測)和未被激光照射一側(cè)(后稱未照射測)的表面溫度進行表征。

將熱像儀放置在真空倉內(nèi),使用激光照射石墨烯海綿表面,激光功率為0.8 W,艙內(nèi)壓強環(huán)境為5 Pa。通過改變熱像儀的位置,對石墨烯海綿受照射側(cè)和未受照射側(cè)的表面溫度進行表征,如圖8所示。不難看出,石墨烯海綿在受到激光照射后,兩側(cè)表面形成了近380 K的溫差,說明石墨烯海綿導(dǎo)熱率很低,熱量主要在受照射的一側(cè)表面聚集。

圖8 石墨烯海綿受到激光照射后的表面溫度

因此,石墨烯海綿塊能夠?qū)崿F(xiàn)良好的光熱轉(zhuǎn)換,大部分激光的能量被石墨烯海綿塊吸收,在冷端和熱端形成了較大的溫差。由于石墨烯海綿塊受到照射的一側(cè)溫度較高,因此其會通過輻射加熱附近的空氣,從而在兩側(cè)形成一定的壓力差,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)氣體分子速度分布偏離熱力學(xué)平衡態(tài)分布,進而產(chǎn)生一個從高溫側(cè)指向低溫側(cè)的推力,即Knudsen力,宏觀上體現(xiàn)為石墨烯海綿塊的擺動。后續(xù)將改變真空度和激光功率大小,來觀察上述兩種因素對石墨烯海綿光推進力大小的影響。

2.3 真空度影響

控制照射功率一定(2 W),研究真空度對石墨烯海綿受光驅(qū)動力的影響。分別將石墨烯海綿塊置于0.002、0.01、1.8、10、14、37、75、220 Pa八組不同的壓強環(huán)境進行實驗,對應(yīng)數(shù)據(jù)如下圖9所示,擺角及光驅(qū)動力等數(shù)據(jù)見下表1。由于壓強范圍跨度較大,圖9橫軸采用對數(shù)坐標(biāo)表示。

表1 真空度影響(2 W)

圖9 石墨烯角度變化圖(2 W)

由圖9可得出,光驅(qū)動力隨艙內(nèi)壓強上升而逐步增大,在1～10 Pa之間達到最大值,1.8 Pa時光驅(qū)動力達到(57.67±0.21) μN。隨著壓強的進一步增加,驅(qū)動力逐步下降。壓強升高至200 Pa時,石墨烯海綿擺角僅有0.5°,驅(qū)動力為(2.02±0.21) μN。在200 Pa壓強環(huán)境中,利用激光對石墨烯海綿進行100 s的長時間照射,發(fā)現(xiàn)推力沒有明顯變化,其總沖約為200 μN·s。

當(dāng)真空度較高(0.002 Pa)時,努森數(shù)Kn>10,并處于自由分子區(qū),真空艙內(nèi)氣體分子數(shù)較少,因此即使激光加熱也無法對石墨烯海綿產(chǎn)生明顯擺動影響,實驗現(xiàn)象較弱。當(dāng)真空度較低(200 Pa)時,真空艙內(nèi)氣體分子數(shù)較多,因此分子平均自由程減小,努森數(shù)Kn<0.001,此時氣體分子流動處于連續(xù)流動區(qū)域,可以用描述近平衡態(tài)流動的經(jīng)典宏觀流體動力學(xué)Navier-Stokes-Fourier (NSF) 方程來描述氣體分子運動[27]。在此狀態(tài)下,石墨烯海綿兩側(cè)的氣體分子溫度梯度較小,實驗現(xiàn)象也不明顯。

呂章德等[33-34]研究了Crookes光輻射計的動力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)輻射計轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與環(huán)境壓強相關(guān),得到的10 mm轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的壓力相關(guān)曲線與本文實驗數(shù)據(jù)曲線高度相似。因此,本文認為低真空度為產(chǎn)生光驅(qū)動現(xiàn)象的適宜環(huán)境(1～10 Pa),產(chǎn)生光驅(qū)動力在微牛級,過高或過低真空的環(huán)境中該驅(qū)動力均有所下降。1～10 Pa壓強范圍相應(yīng)于海拔高度80～90 km,處于大氣層的中間層,這為該技術(shù)在臨近空間的應(yīng)用提供了一種可能。

2.4 激光功率影響

由前述可知,產(chǎn)生驅(qū)動力適宜壓力環(huán)境為 1～10 Pa,因此本實驗將控制真空艙內(nèi)壓強為1 Pa,研究不同光照條件下激光對石墨烯海綿光驅(qū)動力的影響。分別利用0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 W七組激光功率分別對石墨烯海綿進行照射,對應(yīng)數(shù)據(jù)如圖10所示,擺角及光驅(qū)動力等數(shù)據(jù)見表2。

表2 激光功率影響(1 Pa)

圖10 石墨烯的角度和力變化圖(1 Pa)

根據(jù)圖10,1 Pa環(huán)境下,石墨烯海綿的擺角隨激光功率的增加而增大,但產(chǎn)生驅(qū)動力的上升趨勢有所放緩。當(dāng)激光功率為2.8 W時,石墨烯海綿的擺角為15°,光驅(qū)動力為(61.98±0.21) μN。在壓強保持不變時,激光功率的提高將導(dǎo)致石墨烯海綿兩側(cè)溫差增大。溫差的急劇上升使得石墨烯海綿兩側(cè)氣體分子的熱運動差異更為明顯,表現(xiàn)為光驅(qū)動力增強。從圖11可看出,光推進力呈非線性上升,即激光的能量無法全部轉(zhuǎn)化為石墨烯海綿的推進力,而是存在一定的熱量耗散。因此,本文認為熱效應(yīng)在光驅(qū)動現(xiàn)象中占主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

本文對石墨烯光推進技術(shù)發(fā)展及光驅(qū)動特性測試進行了研究,可以得到以下一些結(jié)論:

(1)目前關(guān)于石墨烯光驅(qū)動的機理仍然存在爭議。如前所述文獻[27]認為推力來源于電子射流。文獻[30]則表明該驅(qū)動力來源于Knudsen力,即石墨烯周圍氣體動量交換分布不均產(chǎn)生的推進現(xiàn)象。電子射流理論曾受到質(zhì)疑[32],認為由電子射流產(chǎn)生的驅(qū)動力過小,不足以推動石墨烯移動。另外也有研究人員指出,ZHANG實驗用的真空管內(nèi)壓強為6.8×10-4Torr(約0.09 Pa),仍存有稀薄氣體,光推進現(xiàn)象有Knudsen力的影響。

(2)墨烯海綿在受到激光照射后,兩側(cè)表面形成了顯著溫差,說明石墨烯海綿導(dǎo)熱率很低,熱量主要在受照射的一側(cè)表面聚集,因此石墨烯海綿塊能夠?qū)崿F(xiàn)良好的光熱轉(zhuǎn)換。由于受到照射的一側(cè)溫度較高,因此其會通過輻射加熱附近的空氣,從而在兩側(cè)形成一定的壓力差,進而產(chǎn)生一個從高溫側(cè)指向低溫側(cè)的推力,即Knudsen力。

(3)從實驗數(shù)據(jù)分析,低真空度是產(chǎn)生光驅(qū)動現(xiàn)象的適宜環(huán)境條件(1～10 Pa),產(chǎn)生的光驅(qū)動力在微牛級,驅(qū)動力隨激光照射功率升高而增大,過高或過低真空度時該驅(qū)動力均有所下降。石墨烯海綿產(chǎn)生光驅(qū)動現(xiàn)象的原因主要是受到其周圍氣體被加熱的影響,熱效應(yīng)在光驅(qū)動現(xiàn)象中占據(jù)主導(dǎo)作用,Knudsen力更有可能是產(chǎn)生光驅(qū)動現(xiàn)象的原因。

(4)當(dāng)壓強一定時,隨著激光功率的增加,驅(qū)動力先是急劇上升,但隨后上升趨勢放緩。這表明激光的部分能量的以熱的形式耗散了,導(dǎo)致在同等壓強環(huán)境下,激光推進力呈現(xiàn)非線性增長趨勢。

(5)與光帆推進技術(shù)的光子動量交換相比,激光推進石墨烯技術(shù)主要依靠氣體分子熱運動間的動量交換,這為該項技術(shù)在稀薄大氣中的應(yīng)用提供了可能。