中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

原初引力波探测是检验早期宇宙暴胀理论的关键途径。阿里原初引力波望远镜（AliCPT）在高海拔（5250m）、高寒（-25℃）与宽温域交变（-25℃至40℃）等极端环境下服役。在进行原初引力波探测时，望远镜结构有方位轴高速扫描与高度轴大范围运动的特殊需求，对系统刚度与环境适应性提出了挑战。为此，本文围绕“高刚度拓扑结构—宽温域结构消热—方位轴系电磁卸荷控制”的核心主线，系统开展了中间块的拓扑构型优化、异种材料连接的消热方法、基于过渡圈的镜筒刚度验证和方位轴系的电磁卸荷方法的理论分析、数值仿真与实验研究。
本文研究了中间块的拓扑构型优化。本文研究了中间块连续体结构在离散条件下的力学演化机理，摒弃传统经验设计，引入奇异值分解（SVD）算法建立光轴位姿偏转解耦数学模型，创新性地提出并验证了一种拉压主导型的同心八边形桁架拓扑构型。在严格的质量与空间尺寸约束下，该构型实现了系统宏观比刚度的显著提升，有效降低了光轴的偏转角。
本文研究了异种材料连接的消热方法。面对宽温域下望远镜结构铝材和钢材因热膨胀率差异引发的热失配问题，本文创新性提出了一种包含24条周向孔槽的柔性过渡圈。利用卡氏第二定理推导了结构等效柔度解析模型，揭示了局部狭长韧带受弯变形对宏观界面热变形的吸收效应。高低温实验实测表明，该柔性连接机制通过微观弹性变形，成功吸收了刚性约束下极易破坏结构的热应力，保障了镜筒连接法兰在宽温域下的结构安全。
本文研究了基于过渡圈的镜筒刚度验证。过渡圈的切槽吸收了热应力，但降低了系统的抗弯与抗扭刚度，本文构建了基于过渡圈的镜筒的质量－弹簧等效动力学模型，评估了传力路径重构对系统低阶模态的影响。结合真实装配边界的实物样机多通道模态敲击实验，证明了过渡圈在获得充分消热能力时，可以将系统基频稳定在23.8 Hz，满足望远镜对镜筒刚性的需求。
本文研究了方位轴系的电磁卸荷方法。为解决高寒环境下重载机械轴承润滑介质动力黏度剧增，以及10°/s高速扫描时极易诱发“粘滞－滑动”非线性摩擦的问题，本文研究了混合式主动电磁辅助卸荷系统，提出了该系统的理论框架，推导了涵盖高速运行的动生反电动势、洛伦兹阻尼演化及极地温度参数漂移的全阶非线性耦合演化方程。在此理论模型基础上，设计了基于反步法（Backstepping）的非线性鲁棒控制律以应对多源参数摄动，并构建了旨在平衡线圈焦耳发热与电机克服摩擦做功的全局能耗函数，从解析层面推导了系统最优卸荷率的自适应极值条件。该控制策略为化解极地高寒环境下主动线圈热源发散与高精度机械运转的工程热力学冲突，提供了算法层面的求解路径与数学范式。
综上所述，本文构建的“高刚度拓扑结构—宽温域结构消热—方位轴系电磁卸荷控制”技术体系，为阿里原初引力波望远镜的研制提供了基础，并为我国未来更大口径、更极端环境的地基及月基天文观测装置提供了范式。