Thermo-structural modelling and experimental modal analysis of IRIS segmented telescope

The direct imaging of Earth-like exoplanets requires extremely high contrast and wavefront stability sustained over long observation times. On segmented telescopes such as the Habitable Worlds Observatory (HWO), misalignment between segments degrades the wavefront; picometer-level stability is therefore a mission requirement. HWO-class architectures address this problem with a Rigid Body Control System (RBCS) and laser metrology that maintain alignment of the primary and secondary mirrors. IRIS is a onemetre laboratory demonstrator at the NASA Jet Propulsion Laboratory with the same sensing and control architecture; metrology currently operates at nanometre accuracy, with development toward picometre performance for HWO-relevant demonstrations. The useful bandwidth of these control loops is limited by the structural resonances of the telescope: without an accurate structural model, active control can excite flexible modes and destabilise the optics. This thesis addresses the problem on the IRIS testbed. A finite element model was built in Abaqus to predict natural frequencies and mode shapes, complemented by a preliminary thermal model. These predictions were then tested through an experimental modal analysis based on two independent tap-test campaigns, which transformed the measured response into experimental modes via frequency-domain identification, from SISO cluster analysis to MIMO singular-value decomposition. The analysis covered the 5–150 Hz band. The two campaigns independently identified the same resonances; some experimental frequencies agree with the model within a few percent for most modes, with a larger deviation for the lowest mode, dominated by the support. The results indicate that the model captures the dominant dynamics of the testbed while also exposing its main limitations in the support representation and boundary conditions, which define the priorities for future work. The thesis thus provides an experimentally validated structural FEM model and a modal analysis methodology that form a basis for the structural design of future space telescopes.

L’imaging di esopianeti simili alla Terra richiede contrasto estremamente elevato e stabilità della wavefront sostenuta per lunghi tempi di acquisizione. Nei telescopi segmentati come l’Habitable Worlds Observatory (HWO), il disallineamento tra segmenti degrada la wavefront; la stabilità a livello di picometri è quindi un requisito di missione. Le architetture di classe HWO affrontano questo problema con un Rigid Body Control System (RBCS) e metrologia laser che mantengono l’allineamento degli specchi primario e secondario. IRIS è un dimostratore in laboratorio con apertura di un metro presso il NASA JPL, con la stessa architettura di sensing e controllo; la metrologia opera attualmente a precisione nanometrica, con sviluppo verso prestazioni picometriche per dimostrazioni HWO. La banda utile del controllo è limitata dalle risonanze strutturali del telescopio: senza un modello strutturale accurato, il controllo attivo può eccitare modi flessibili e destabilizzare le ottiche. Questa tesi affronta il problema sul banco di prova IRIS. Un modello agli elementi finiti è stato costruito in Abaqus per predire frequenze proprie e forme modali, affiancato da un modello termico preliminare. Tali previsioni sono state poi messe alla prova con un’analisi modale sperimentale attraverso due campagne di tap test indipendenti, trasformando la risposta misurata in modi sperimentali tramite identificazione in frequenza, da cluster SISO a decomposizione ai valori singolari MIMO. L’analisi ha coperto la banda 5–150 Hz. Le due campagne hanno individuato indipendentemente le stesse risonanze; alcune frequenze concordano con il modello entro pochi punti percentuali per la maggior parte dei modi, con uno scostamento maggiore per il modo più basso del supporto. I risultati indicano che il modello coglie la dinamica dominante del banco, evidenziandone i limiti principali nel supporto e nelle condizioni al contorno che definiscono le priorità del lavoro futuro. La tesi fornisce così un modello strutturale FEM validato sperimentalmente e una metodologia di analisi modale che costituiscono una base per la progettazione strutturale di futuri telescopi spaziali.