根据某型号微光多谱段成像仪的整机结构特性和工作条件，设计了一种调焦及像移补偿一体化的设备，达到节约空间、保证成像质量以及实现低照度环境下成像的目的。其中调焦功能由丝杠螺母配合楔形滑块实现，像移补偿功能由音圈电机实现，且配合有动、静态两级锁紧装置，使机构的可靠性、抗冲击性显著提高。结构外形尺寸为 349 mm×192 mm×174 mm，调焦范围为±2 mm，像移补偿量为 3 mm，调焦分辨率为 0.05 .m，实测的定位精度为 ±5.7 .m。扫频振动试验得出其一阶模态为 225 Hz，与有限元仿真分析结果基本一致，正弦振动试验和随机振动试验结果良好，均在技术指标要求范围内，说明具有良好的动态刚度，可以有效地避免共振现象的发生。综上所述，该调焦及像移补偿机构具有体积小，结构强度高的特点，可以很好地满足微光相机的工作条件。

为解决空间反射镜镜体质量和面形精度在轻量化设计过程中会引起相互冲突的问题, 针对某型离轴三反光学系统的长条形主反射镜进行了结构优化设计研究, 提出了一种基于 SiC材料的中心支撑的轻量化结构, 同时引入了多目标集成优化方法, 以镜体质量(Mass)和面形(RMS)同时作为优化目标, 得到一个反射镜最佳结构模型, 其质量为 2.32 kg, 轻量化率达到了 73.8%; 然后, 对反射镜支撑结构进行了结构设计和说明, 并对该组件进行了仿真分析, 在 X、 Y、Z三轴方向 1 g重力工况下的 RMS值分别达到 2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm, 4 ℃均匀温升载荷工况下的 RMS值为3.2 nm, 远小于设计要求的 RMS≤λ/50(λ=632.8 nm), 满足设计要求。

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置, 而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象, 设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构, 该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程, 建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型, 针对快速反射镜机构的谐振频率要求, 选择了柔性铰链的主要结构参数, 并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析, 分析结果表明, 快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz, 而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上, 证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性, 加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台, 对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测, 检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求, 提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象, 设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构, 并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法; 分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案, 有限元对比分析的结果表明, 采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉, 镜面面形精度较高, 并且由于结构简单, 其摆动组件的总质量更轻; 为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能, 同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标, 对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化, 优化结果显示, 加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大; 最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g, 结构的一阶谐振频率为217 Hz, 在-8 ℃温度载荷的作用下, 镜面面形的RMS为7.26 nm, 满足设计要求的同时, 反射镜实现了40.4%的轻量化率。

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。

设计了一种新的光机结构，以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析， 说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后，以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构，对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析，说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后，论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验，结果表明: 在-60 ℃～80 ℃进行热冲击试验后，主镜不会出现炸裂现象; 而在-20 ℃~50 ℃温度下，反射镜面形精度RMS仍保持在 0.025λ(λ=632.8 nm)水平。 得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。

为降低支撑控制难度和节约制造成本，同时又保证在线光学加工检测所需的支撑精度，提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度，解决面形拟合和优化目标提取的问题；以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型，使其具备自适应有限元分析的功能；针对工程中大量使用的轻量化反射镜，设计出适应其几何变化的支撑转换结构，并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计；通过30 m口径望远镜(TMT)第三镜和某2 m口径反射镜的支撑布局优化，验证了所采用方法的效果。算例结果表明，所提方法具有较好的几何适应性，布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。

针对大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器对调焦和调偏流的要求, 本文基于高刚度、高强度滚珠花键结构和高精度滚珠丝杠结构, 提出了一种焦面二维精密调整机构, 能够实现调焦和调偏流目的。焦面二维精密调整机构结构紧凑, 占用空间小, 质量轻, 并具有足够的强度、刚度、良好的自锁性能及抗冷焊性能。机构的质量为 5.5 kg, 调焦范围为 ±2 mm, 调焦分辨力为 0.17 μm, 调偏流范围为 ±5°, 调偏流分辨力优于 0.000 2″, 对机构进行精度检测, 各项参数均满足指标要求, 适合在大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器空间光学遥感器中使用。