空间红外望远镜的成像质量依赖着低温深冷的环境。在这种环境下，对反射镜的结构及其支撑结构都提出了严格的要求。介绍了当前国内外望远镜的被动支撑结构(如bipod、hexapod和whiffle-tree结构)，然后对国内外望远镜的主动支撑结构形式和促动器的原理进行了分析说明。通过对国内外望远镜主、被动支撑结构的分析，对二者进行了对比，并指出了它们的优缺点以及各自适用的领域。提出了两种实现无热化支撑结构的方法：对于拼接式望远镜，采用whiffle-tree结构和促动器的组合支撑形式；对于单块式望远镜，采用whiffle-tree结构和A-frame结构并搭配促动器的支撑形式。

拼接式望远镜由于主镜加工难度低、运载方便和制造成本低等特点已成为未来大口径望远镜的重要发展方向之一。主动支撑技术的成功应用为拼接式望远镜共焦共相调节提供了充足的保障。针对拼接式望远镜主镜主动支撑系统，本文首先简述了其所涉及的主要技术，之后对具体应用实例进行归纳与分析，最后为拼接式望远镜主镜支撑系统的设计提出建议，对未来拼接式望远镜支撑技术的发展具有一定的参考意义。

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。

大口径轻量化SiC主镜是一种新型主镜, 之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析, 确定利用液压并联力促动器的支撑方式对SiC轻量化主镜进行支撑, 并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m SiC主镜的校正力需求, 计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求, 详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素, 并进行了相应的设计, 采用步进电机作为动力源, 通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移, 并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力, 最终设计并加工出一款高精度力促动器, 并对促动器进行了测试, 发现该促动器的输出力范围-400~400 N, 位移分辨率0.96 μm, 力分辨率0.05 N, 可以满足主动支撑对力促动器的需求。

基于力校正的主动支撑技术已广泛应用于光学镜面支撑，而基于力矩校正的方法目前还鲜有研究，为了深入探讨该课题，在传统力促动器主动支撑的基础上引入了基于力矩校正的反射镜主动支撑。首先，从镜面主动支撑原理出发，介绍了镜面面形主动校正的分类，着重对比分析了力校正和力矩校正的优缺点。进而，根据力矩主动校正的特点，利用在反射镜背部施加3组等效力矩的方法，对一块400 mm口径的轻量化反射镜进行了静力学分析与优化，拟合后镜面变形RMS值由原来的331 nm降为9.35 nm，优化率为97%。分析结果表明，基于力矩校正的主动支撑是有效的，同时为主动支撑的智能化及多样化提供了一种新的思路。

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大, 面形精度要求高的特点, 提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重, 主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力, 从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围, 提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化, 确定了轴向54点和侧向24点等间距等力(β=0.5)支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时, 主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后, 主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30(λ=632.8 nm)的指标要求。

根据中国“宋”标准节点望远镜系统要求，设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼(S-H)传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发，对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和“宋”望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计，采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量，测量精度005"。根据设计结果搭建了实验系统，对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量，并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明：所设计S-H系统测量精度0008 μm(RMS)，能够满足“宋”望远镜的技术要求。

为了获取优异的光学图像质量，大口径天文望远镜通常采用主动支撑结构以校正主镜面形误差。对望远镜主镜支撑系统所需的气压驱动器进行了研究。基于气动原理设计了一种采用滚动膜片结构的气压力驱动器，其中滚动膜片结构用于消除摩擦力的影响，滚珠式力解耦器用于消除侧向力、弯矩的影响。进一步设计了针对气压驱动器带死区的比例积分微分(PID)控制算法，以实现对气压驱动器的闭环控制。实验结果表明：气压力驱动器可精确提供主镜控制所需的支撑力，在望远镜高角变化速度达到2°/s时，输出支撑力范围为0~1000 N，驱动器支撑力误差仅为满量程的±0.4%。设计的气压驱动器可实现主动支撑力的快速精确输出，能满足天文望远镜主镜主动支撑需求。

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力，以一个直径0.5 m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系，引入了一些需校正的面形误差，如初级球差、慧差、像散及重力变形等，确定了致动器作用力的优化目标，用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力，得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明，对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加，用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内，且对初级像散的校正能力最强，慧差和球差次之；竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5 m实验镜的初始面形结果后，重新计算了优化力和面形误差，结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致，RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因，提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案，并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。

采用400 mm口径,12 mm厚的球面反射镜进行了主动光学实验。实验镜支撑结构由背部12个主动支撑点和3个固定支撑点组成。主动支撑点用压电陶瓷促动器和压力传感器组成力促动器,用于控制实验镜面形;固定支撑点用于控制实验镜的定位。实验中通过干涉仪测试镜面面形。分别测量出反射镜在单独一个促动器施加单位作用力前后的镜面面形,求出这两个面形之差得到该促动器的响应函数,由各促动器的响应函数组成刚度矩阵,然后用阻尼最小二乘法计算各支撑点的校正力。最后,通过PID算法闭环控制各促动器施加力的过程。经过3次校正,将初始状态的1.22λRMS的面形误差校正到0.12λRMS,接近了镜面加工的0.1λRMS面形精度,说明所采用的主动校正算法和过程正确可行。