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。

主动支撑系统能使大型光学望远镜的主镜具备面形控制及定位的能力, 单体镜面形主动控制技术及拼接镜共相位成像技术因而得到了迅速发展。回顾了近年来主动支撑系统及促动器在大型光学望远镜中的应用, 并对其进行了总结, 归纳出了几种常见的主动支撑系统及促动器, 比较了它们的特点, 陈述了主动支撑系统与促动器之间的内在联系。最后对未来应用于望远镜主镜的主动支撑系统及促动器进行了展望。

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。

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。

设计了一种 18杆空间相机桁架式主支撑结构, 解决了大型离轴三反空间相机主支撑结构要求同时具备轻质、高刚度、高强度和高热尺寸稳定性的难题。分析了采用整体框架结构及桁架支撑结构作为离轴三反空间相机主支撑结构的优缺点, 根据光学系统及相机整体结构尺寸特点, 确定了桁架支撑方案。分析对比了单层 6杆桁架结构和双层 18杆桁架结构的动静态刚度。合理选取了桁架式主支撑结构的材料, 分析了对支杆基频的影响因素, 优化设计了支杆的结构参数, 分析了 18杆桁架支撑结构的力、热特性, 并对支杆与杆接头的胶粘结强度进行了试验测试。有限元分析结果表明, 相机桁架主支撑结构一阶固有频率为 78.4 Hz, 次镜在 X向重力作用下绕 Y轴的最大倾角为 4.6″, 动静态刚度均满足设计指标要求。碳纤支杆拉伸试验结果表明, 胶粘结支杆的抗拉强度为 5.85 MPa, 满足强度要求。

在空间遥感领域, 使用胶粘接技术安装光学元件越来越受到光机工程师们的青睐。与机械方法相比, 胶粘接方法具有更轻的质量、更低的成本、更容易装配。大部分结构胶在固化期间存在收缩现象, 结构胶的收缩会导致内应力出现, 内应力又会导致光学表面发生变形, 从而影响成像质量。为了在有限元分析中模拟这一过程, 提出了等效线胀法的概念。该方法是将结构胶的线收缩率等效成胶的线胀系数, 从而将结构胶固化过程的收缩等效成均匀温降导致的冷缩, 以便进行热弹性分析。分析结果表明: 在采用环带粘接方式时, 粘接面积越小, 镜面相应位置的面形误差越小, 反之越大; 粘接位置离镜面越远, 镜面相应位置的面形误差越小, 反之越大。对分析结果进行了试验验证, 结果表明: 当胶层质心到镜面距离为20.5mm、胶层宽度分别为15mm、20mm、25mm时, 镜面PV值变化量分别为0.64λ、0.92λ、1.10λ; 当胶层宽度为15mm、胶层质心到镜面距离分别为15.5mm、20.5mm、25.5mm时, 镜面PV值变化量分别为1.08λ、0.64λ、0.40λ; 当胶层质心到镜面距离为25.5mm、胶层宽度为25mm、胶层环形分布角分别为40°、60°、80°时, 镜面PV值变化量分别为0.38λ、0.52λ、0.88λ。分析和试验结果为实际的工程应用提供了理论指导。

为了减小偏流角对空间光学相机成像质量的影响，分析了偏流角对空间光学相机成像质量的影响，对偏流角产生的原因及其像移补偿原理进行了研究。根据某空间光学相机的特点，采用在相机上设计调偏流机构的方法进行偏流角的补偿。通过几种常用的调偏流机构的比较，确定了采用双向丝杆螺母驱动的调偏流方案实现焦平面偏流角的调整。对调偏流机构进行了有限元分析，分析结果表明调偏流机构具有较高的刚度和动态强度。对调偏流机构进行了振动试验，并在试验前后进行调偏流机构精度的闭环检测，检测结果表明调偏流机构精度优于 1′，调偏流机构偏流角调整范围为 +5°~ -5°，满足设计要求，实现了高精度的偏流角补偿。该调偏流机构具有强度高、刚度高、结构紧凑、稳定性好等优点。

为了使大孔径长条形空间反射镜支撑结构同时满足高刚度、高强度和良好的热尺寸稳定性要求, 建立了反射镜支撑系统的模态解析数学模型, 并对该模型所描述的反射镜沿各轴向的平动和转动模态特性进行了研究。根据模态解析解得出3个支撑点确保质量分布相对均匀时, 系统的动-静态刚度最大的结论, 并结合有限元分析技术确定了反射镜的支撑位置。此外, 在支撑结构中设置了柔性环节, 改善了反射镜在各工况下所受的应力环境以确保其光学性能。通过优化柔性铰链最薄处的厚度和圆弧半径两个参数来调节反射镜的面形精度, 使面形精度满足设计要求。分析及试验结果表明: 柔性铰链最薄处厚度为4 mm, 圆弧半径为2 mm时, 反射镜在重力和4℃均匀温升工况下的面形精度RMS值均优于12.3 nm; 组件实际一阶固有频率为146 Hz, 与有限元分析结果的误差小于5%; 柔性支撑结构动态应力响应远小于材料的屈服极限, 完全满足反射镜结构系统的设计要求。

现代空间光学遥感器向着大口径、长焦距的方向发展。焦距变长意味着主次镜间隔变长，也就意味着次镜的系统公差更难保证。针对次镜严格的公差要求，本文提出了一种空间桁架结构的设计理念。根据静定空间桁架原理，设计了两种结构方案，采用有限元分析软件，对两种方案进行了分析，求得前三阶固有频率、绕X 轴的倾角和Y 方向刚体位移。分析结果表明，设计方案1 的一阶模态为78 Hz，绕X 轴的倾角为2″，沿Y 轴的最大刚体位移是0.04 mm；设计方案2 的一阶模态为113.7 Hz，绕X 轴的倾角为1.5″，沿Y 轴的最大刚体位移是0.022 mm。两种方案都能满足设计要求，而方案2 比方案1 有明显优势。静定空间桁架原理为空间相机结构设计提供了可靠的理论依据。