通过对空间大口径单体反射镜支撑技术发展现状及发展趋势的调研, 总结了当前大口径单体空间反射镜支撑技术中较为成熟的技术路线。在此技术路线中, 计量卸荷支撑是必须要攻克的一项核心难题。本文介绍了计量卸荷支撑的概念, 并针对计量卸荷支撑研制过程中的关键技术进行了深入的讨论, 包括支撑点数量、位置及支撑力大小的确定方法, 支撑力执行单元的方案设计以及计量卸荷精度的保证方法等; 通过对计量卸荷支撑研制过程中关键技术的总结, 期望对我国空间大口径单体反射镜的研制提供借鉴意义。

针对天文观测和**建设对超大口径空间遥感器的迫切需求, 对分体式超大口径空间遥感器技术进行了系统研究。首先阐述了该技术的主要实现方式和基本原理, 主要包括分体自重组系统, 分体空间装调系统和分体空间制造系统, 概述了不同实现方式的发展历史和研究现状; 总结了各种实现方式的结构特点和核心技术, 并对其发展前景进行了分析和展望。最后, 根据我国未来空间探测的实际需求, 结合现阶段技术水平和未来的技术潜力, 给出了重点发展分体自重组技术, 积累完善分体空间装调技术, 布局分体空间制造技术的建议。

为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度，本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先，介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据; 其次，利用有限元分析软件，分析了方位反向对反射镜面形的影响; 然后，按照试验流程，先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度，计算两次检测数据的平均值，得到了反射镜零重力面形。结果表明: 反射镜地面零重力面形误差RMS值为123 nm，能够满足设计指标要求。最后，对数据可信度进行了分析，确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度，对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。

对空间离轴相机在重力载荷作用下的系统波像差变化进行了集成仿真分析, 同时研究了分析结果的精度。介绍了集成仿真分析技术的基本流程和关键技术, 对比分析了ZERNIKE多项式拟合法与形函数插值法两种面形畸变转换接口算法的优劣。介绍了常用的两种形函数构造方法的基本原理, 基于面积法构造形函数得到了光学元件面形畸变的接口文件。最后, 在相机的光机结构装调完毕后, 对系统波像差在重力载荷作用下的变化进行了测试。测试结果表明, 该空间相机3个视场系统波像差的变化量分别为0.029 8λ(-1视场)、0.019 4λ(0视场)、0.052 3λ(+1视场), 与分析结果基本吻合。3个视场分析结果的误差分别为0.002 4λ(-1视场)、-0.000 9λ(0视场)、0.007λ(+1视场, )均小于0.01λ, 满足工程设计的要求, 验证了集成仿真分析结果的准确性。此外, 通过集成分析技术定量得到了不同影响因素对系统波像差的影响, 基于此优化设计光机结构, 改善了重力对空间相机3个视场系统波像差的影响。

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化，实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理，分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理，提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法; 针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象，求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示: Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%，而球面方程拟合法的计算精度为12.6%; 对仿真分析结果的误差评价表明，采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右，与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明，由于Zernike多项式拟合法自身的局限性，不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合，而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移, 研制了一套利用均力输出组件驱动, 正反双曲柄滑块机构传动, 直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理, 并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式, 两支撑点均力输出且无同步性误差, 机构内应力小, 运行平稳, 调焦精度高; 运动副采用预压消间隙措施, 有效消除配合间隙, 无空回, 重复精度高。在模拟空间环境条件下, 对其各项参数进行了测试。试验结果表明, 该调焦机构可在±1.77 mm间调焦, 直线定位精度大于±8 μm, 重复性优于±2 μm; 同步性误差小于±4 μm, 重复性优于±3 μm; 调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″, 重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。

为了弥补离焦产生的影响, 本文从离轴 TMA航天测绘相机的工程实际出发, 提出了一种基于滚珠丝杠及连杆的离焦补偿机构, 分析了机构的设计需求, 确定了机构的调节位置, 对机构进行了结构设计、精度设计可靠性分析以及性能检测。机构的 X轴晃动为 ±2.7″, Y轴晃动为 ±3.3″, 曲线拟合残差小于 2 μm, 抽检最大误差为 5 μm, 机构具备良好的自锁性能。性能检测结果表明该机构综合性能良好, 适合在离轴 TMA航天测绘相机中使用。

为使某飞行设备携带的小型红外相机在宽温度范围及恶劣动力学环境下能够良好成像，开展了红外相机光机结构设计。首先对光学系统及整机工作环境进行了分析，确定了光机结构采用全铝机身; 其次对核心部件——主镜的支撑结构进行了详细研究，分析说明了主镜传统支撑方式的局限性，确定了主镜与支撑采用一体化设计的方案，该设计同样适用于次镜; 接着根据相机尺寸选择了主次镜间支撑结构; 然后根据光学系统设计了合理的遮光罩; 最后，对相机过载适应性、温度适应性及模态进行了有限元分析，分析结果表明：该小型红外相机的光机结构能够满足设计指标要求。