激光通信大口径地面光端机的主要作用是与卫星建立通信链路，实现卫星与地面站之间的数据传输。某激光通信车载地面光端机 600 mm主镜采用微晶材料，重量较大且工作角度不断发生变化。为保证镜面变形精度，该主镜在采用轴向背部 9点支撑的基础之上，需同时采用径向支撑结构平衡主镜在其工作角度下重力的径向分力。本文根据主镜工作角度变化，针对传统多点径向支撑结构尺寸大并易造成应力集中等问题，为平衡主镜径向重力分量，减小径向支撑结构尺寸，设计了中心轴与水银带相结合的径向支撑方案，采用有限元分析方法得出水银带参数对主镜面形的影响，优化了支撑参数并设计了支撑结构。主镜面形测试结果表明，采用本文提出的径向支撑结构后，主镜面形达到了预期效果，面形 PV值优于 λ/5，RMS值优于 λ/37，完全满足设计要求。

基于某2 m轻量化SiC主镜, 设计了一种新型主动调节侧支撑机构。先分析常用的侧向支撑机构的结构形式和特点; 再设计由位移促动器、柔性铰链结构和嵌入杠杆系统等部件组成的主动调节支撑机构; 最后, 对机构的支撑力和移动量进行有限元分析, 并且搭建实验平台, 对其进行刚度和调节能力测试。试验结果表明: 当支撑力为562.55 N时, 杠杆结构中位移促动器承受的力为97.57 N, 大大降低了位移促动器的刚度、强度要求; 位移促动器行程为0.065 mm, 是支撑杆中的22倍, 大大降低了位移促动器分辨率要求; 试验测得刚度为1 225 N/mm, 达到了设计要求, 表明这种柔性杠杆支撑系统具有很好的工程应用能力。

基于运动学原理的支撑结构在大口径望远镜的底支撑中早已得到广泛运用，但是在主镜侧支撑中的应用还不成熟。本文首先解释了一种基于运动学原理的侧支撑结构的特点，然后针对一个直径2.04 m 的主镜, 使用有限元软件ANSYS 中的参数化设计语言进行了具体的结构设计与分析。接着以主镜在光轴竖直状态下的镜面面形误差的均方根值(RMS)为目标函数，采用模拟退火算法，对支撑结构中各支撑杆的支撑反力进行了优化。最后得到的镜面变形的RMS 值为16.67 nm。计算不同俯仰角下的镜面变形，均达到了RMS 小于λ/30 的技术要求。

弯月薄镜在侧向均匀承重和弯月薄镜在采用侧向均匀承重和等间距竖直推拉侧向支撑方式时, 等间距竖直推拉侧向支撑方式时, 会产生明显的弯曲变形问题。为消除附加弯矩带来的镜面变形, 本文分析了弯月薄镜的结构特点, 提出了适用于弯月薄镜的等角间距推—拉—剪切和不等角间距推—拉—剪切两种侧向支撑方式。通过在侧向支撑上增加轴向剪切平衡作用力分量, 推导了在上述两种侧向支撑方式下各向作用力分量的表达式。针对1.23 m弯月薄镜, 优化出切向分量最佳比率β为0.75。对16点等间距侧向支撑增加轴向剪切分量后, 镜面变形RMS值由1259.1 nm减小到3.4 nm, 无需轴向主动校正即可获得较好的支撑面形。不等角间距侧向支撑方式则解决了等间距侧向支撑方式中各个侧向支撑点的作用力大小差异较大的问题, 结合弯月薄镜轴向支撑的主动校正能力, 在最大校正力仅为–1.01 N的主动校正后, 16点不等间距侧向支撑实现了镜面变形RMS为4.6 nm的支撑效果。

薄主镜支撑系统分为轴向和侧向支撑两部分，侧向支撑承担主镜垂直于光轴方向的重力分量。介绍了pushpull-shear侧支撑及能动校正原理，并针对一块8 m 口径薄主镜进行了侧支撑设计。设计了5种备选侧支撑方案，并考虑到主镜对面形的能动校正能力，借助有限元计算对它们进行了分析和比较，选出了一种最佳方案作为8 m 薄主镜的侧支撑方案。该侧支撑方案共有64 个侧支撑点，每个侧支撑点仅施加沿主镜切向的支撑力。当主镜竖直放置时，主镜能动校正后的镜面均方根值为19.2 nm，校正力范围为-318.9~301.4 N。相比传统push-pull-shear侧支撑方式，该侧支撑方案结构简单，易于实现，同时支撑效果良好。

介绍30 m望远镜(TMT)的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发, 论述了三镜系统的两个主要部分(M3CA和M3PA)的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA, 介绍了底支撑方案和侧支撑方案, 采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm, SlopeRMS为0.95 μrad, 采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS＜15 nm, 一阶谐振频率等于17.7 Hz, 均达到了设计要求。针对M3PA, 介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后, 简要介绍了三镜控制系统(M3CS)的要求和目标。

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化, 以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先, 从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路, 然后, 引入边缘切向剪切侧支撑原理, 阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060 mm的扇形轻量化主镜作为分析实例, 采用16个边缘离散支撑点, 优化设计等角间距侧向支撑, 并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点, 将等角间距改为不等角间距侧向支撑, 分析推导了相应的支撑力公式。结果显示, 改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度, 镜面变形由原来的1.723 nm降为1.633 nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形, 对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。

Whiffletree结构被广泛地应用在大口径望远镜主镜的底支撑中，但是目前在侧支撑中还没有采用Whiffletree结构的例子。首先探讨了在非薄弯月镜主镜中，采用Whiffletree结构进行侧支撑原理和方法，并结合一个实例，对Whiffletree侧支撑进行计算和设计，然后使用有限元软件MSC.Patran/Nastran进行了分析，最后得到镜面变形的RMS值为1.46 nm，低于λ/40，证实该方案的可行性。

应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型，对1 m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构，优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3 nm，满足设计指标要求，该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响，适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。

应用有限元法并借助于有限元分析软件,建立了轴对称平面单元和三维实体有限元模型.对1.2 m球面反射镜的支撑系统进行了优化设计，优化确定了轴向支撑圈数、支撑半径和支撑点排列组合、侧向支撑位置.分析计算出主镜在水平放置轴向支撑作用和竖直放置侧支撑作用下重力引起的镜面面形误差RMS值分别为2.5 nm和3.16 nm，满足设计指标要求，预示了所设计的支撑系统方案的合理可行性.