用于星际探测的柔性光帆辐射压推进的动力学稳定性

光帆航天器利用高功率密度激光辐射的光子压力推进至相对论速度，为太阳系内及以远直至星际距离的空间探测提供了一条潜在新途径。此类任务需要亚微米厚度的米级光帆，给材料科学与工程带来重大挑战。我们分析了柔性光帆的结构与光子设计，基于线弹性理论开发了基于网格的多物理场模拟器，将光帆视为柔性膜而非刚体。我们发现，柔性光帆膜可通过自旋稳定防止加速过程中的形状塌缩，并且某些光帆形状与设计尽管受光子压力和热膨胀引起的形变影响，仍具有乘波稳定性。令人振奋的是，基于平面氮化硅膜并图案化以适当设计的光学超光栅的纳米光子光帆，沿泵浦激光轴表现出机械与动力学均稳定的推进。这些进展表明，将膜状光帆激光驱动加速至抵达星际距离所需的相对论速度是概念上可行的，且此类光帆的制造可能处于现代微加工技术的能力范围之内。