气浮导轨具有精度高、摩擦小和寿命长等优点,是高精密、高速运动领域直线运动基准构建的关键技术。但是气浮导轨存在刚度和稳定性相互制约、承载力和刚度普遍较低的问题,特别是在极端工况下,问题更加突出。因此,研究气浮导轨承载力、刚度和转动刚度的影响因素,对提升气浮导轨的性能,扩大其在高端制造装备及精密测量设备的应用具有重要的理论和实际意义。本文针对高速可变光阑系统中高速、高加速度扫描运动的气浮导向技术需求,围绕有限空间体积限制下导轨转动刚度难以提升的问题,从理论建模、数值分析、设计方法和实验验证等方面入手,开展了高转动刚度的槽腔复合节流导轨技术研究,以表征槽腔微结构对节流系数和导轨性能的影响为研究重点,为导轨的结构设计和性能提升提供新的原理与方法。以流量平衡条件为纽带,将节流器和槽腔微结构附近的局部流场与全局流场形成压力场关联,获得了节流后的压力以及全场压力分布。以此为基础,分别在闭式导轨的偏心和倾斜状态下,推导了刚度和转动刚度的解析方程,建立了复合节流导轨力学性能的解析模型。研究表明,槽腔微结构对导轨性能的影响由节流压力变化引起,而影响压力的关键是节流面积和节流系数。其中有效的节流面积可以通过微结构的特征尺寸进行判别,但节流系数随微结构的解析关系尚未明确,但可以通过数值求解方法进一步研究。为了对带有微结构的狭长气膜流场进行数值求解,以典型的冲击射流模型为出发点,考虑节流喷嘴、槽腔微结构以及气膜间隙等特征,重新描述了气体粘度与近壁高度的关系,获得了一个包括用于层流计算的线性部分和用于湍流计算的对数律部分的无量纲速度函数。提出了一种基于自适应的近壁网格捕捉和细分方法,以满足气体粘度数值计算中对无量纲网格高度的要求。研究了初始网格的最小单元尺寸、分区方式和自适应循环次数的影响,得出了将网格自适应方法用于复合流场体积有限元计算的限定条件,验证了该方法的准确性与可行性,表明所提出的网格自适应方法可以用来研究微结构微米量级变化对节流系数和导轨性能的影响,为研究槽腔微结构参数的影响规律提供了求解方案。利用网格自适应方法揭示了浅腔直径、浅腔深度、均压槽深度、均压槽宽度、导气槽截面积和导气槽深宽比共六个参数对导轨性能的影响规律。为保证浅腔深度与当地的气膜厚度相匹配,设计了梯度深度的浅腔微结构,该结构可以显著提升导轨的转动刚度,同时降低其气膜厚度的工作点。结果表明,在微结构参数设计时对气膜厚度工作点进行调整,为节流系数的修正和导轨结构的设计提供了基础数据。建立了节流系数与微结构参数的解析表达,提出将修正节流系数,并与导轨性能的解析模型结合。通过有效节流面积和修正节流系数,将微结构特征引入到导轨性能计算,提出了槽腔局部流场以数值求解为指导的CFD-解析混合设计方法,该方法为高转动刚度槽腔复合节流导轨设计提供了理论指导。采用该方法设计了一款槽腔复合节流导轨,并搭建实验装置,验证了设计方法的有效性。实验结果表明,在极端有限的空间体积中（实际气浮工作面积仅为84mm×20mm）该导轨的转动刚度达到了Kθ=1.03×104 Nm/rad。将设计的新型复合节流导轨应用于高速可变光阑系统的导向机构,工况试验结果表明,扫描加速度达到了a0=50 m/s2,满足了扫描运动性能要求。