针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求, 对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式, 不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量, 而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法, 提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构, 克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能, 并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明, 中心支撑的反射镜质量更轻(3.36 kg), 与实体反射镜相比, 轻量化率达到了87%, 组件质量也较三点支撑减小了24%; 在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm, 优于三点支撑形式; 4 ℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm, 远小于设计要求的RMS≤12 nm; 反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz, 重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 ?滋m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时, 保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度, 满足设计要求, 为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。

基于特定的轻量化形式和支撑结构, 采用有限元方法研究了口径为500 mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响, 确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23, 指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状, 当重力沿径向作用时, 增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明, 柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素, 要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求; 背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小, 且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感; 支撑长度主要影响结构的动态刚度, 减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750 mm, 对口径小于750 mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求, 对某离轴三反空间相机610 mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式, 采用变筋厚和变筋高的设计形式, 结合集成优化方法, 设计的主镜质量仅为6.23 kg, 面密度约为21.3 kg/m2.并设计了主镜的支撑结构, 仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明：三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6 nm, 4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1 nm; 主镜组件的一阶自然频率为112 Hz, 频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处, 最大应力值为104 MPa, 远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著, 主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求, 本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683 mm, 为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.