红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度, 也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于 240 K的.450 mm反射镜组件进行结构设计, 反射镜材料为 SiC, 连接件材料为殷钢, 采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式, 并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析, 得到各参数对面形的影响曲线。优化后, 反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm, 径向重力面形 3.710 nm, 240 K低温面形 5.086 nm, 一阶模态 277 Hz, 轻量化率 89.4%。

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。

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。

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。

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.