根据深空探测相机轻质高刚度、高性能的要求, 设计了一种超轻主支撑结构。深空探测相比于地球探测环境更加严苛, 主支撑结构作为主承力结构, 其在发射、在轨环绕阶段都应具有高稳定性, 来保持各光学元件之间的相对位置不变。与传统方法相比, 文中采用拓扑优化得到清晰的主支撑结构的最佳传力路径, 然后通过尺寸优化来提高主支撑结构基频。最后进行轻量化设计, 其前后框架结构轻量化率达到90％以上。仿真分析和试验结果表明, 主支撑结构满足公差要求且基频(80.264 Hz)远远高于整星一阶频率, 应用光学测量的方法振前、振后前框架相对于后框架倾角为3″、0.3″, 满足光学系统的公差要求, 具有较好的稳定性。大量级力学试验后系统的波像差<λ/14, 满足光学系统成像质量要求。

为满足机载光谱仪主支撑结构动力学特性好、质量低等需求, 本文进行了主支撑结构的优化设计及试验验证。首先, 针对常用结构无法适用于本系统的问题, 提出了一种框架式与薄壁筒式结构相结合的总体结构形式, 方便对遮光罩与结构进行一体化设计, 可有效降低质量且保证刚度; 其次, 为提高系统模态, 采用多变量集成优化方法, 在满足质量要求的情况下将其模态由127 Hz提高到156 Hz, 使其具有良好的动力学特性; 然后, 为确定振动环境对系统调制传递函数(MTF)的影响, 通过有限元分析与灵敏度矩阵相结合的方法分析了振动环境对系统MTF影响, 并通过计算得知本结构能适用于像元尺寸大于10 μm的机载系统; 最后, 通过对主支撑结构的测振试验与整机结构的波前检测试验, 验证了本文设计方法与分析过程的有效性与可行性。本文提出的优化设计方法可为机载遥感仪器结构的优化设计提供参考, 将有助于推动机载遥感仪器结构设计技术的发展。

针对某型号微纳遥感相机超轻质、低功耗、短周期和低成本的要求,设计了一种一体式超轻主支撑结构。从微纳遥感相机的任务需求出发,经过比较后选择钛合金作为主支撑结构的材料,并从质量和功耗两方面考虑选择了桁架式方案。建立了以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数的灵敏度,并通过采用改进的Heaviside密度滤波方法,得到了拓扑结果清晰的主支撑结构最优传力路径。以基频为目标函数建立尺寸的优化数学模型,得到了各部分的最佳设计尺寸,设计完成后的一体式主支撑结构质量为0.6 kg。有限元分析与实验结果表明:一体式主支撑结构能够满足光学系统的公差要求,且基频远高于卫星平台对光学载荷的要求,验证了拓扑优化设计方法和尺寸优化设计方法的正确性以及设计的合理性。

为解决离轴三反空间相机随机响应过大的问题, 提出了一种以降低加速度响应均方根值 (RMS)为目标的空间相机主支撑结构拓扑优化设计方法。首先, 在分析各种空间相机主支撑结构和某离轴三反光学系统特点的基础上, 确定了次镜组件和折叠镜组件分开支撑的结构形式。其次, 以离轴三反空间相机次镜的加速度响应均方根值为优化目标, 以体积分数, X、Y、Z向重力载荷分别作用下次镜的刚体位移, 主支撑结构的一阶频率为约束条件对初始主支撑结构有限元模型进行拓扑优化设计, 得到了加速度响应满足设计要求的主支撑结构。最后, 对该结构进行有限元分析和振动试验, 表明了该离轴三反空间相机力学性能指标均满足设计要求, 其中 Z向 2 g RMS量级的随机激励下次镜的加速度响应均方根值为 5.08 g；主支撑结构质量仅为 3.8 kg, 一阶频率达到了 291.4 Hz。该离轴三反相机主支撑结构的设计方法可以作为其他同型相机结构设计的参考。

作为空间相机光学元件的载体，主支撑结构对于确保光学元件相对 位置的长期准确稳定具有决定性作用。由于具有比刚度高、热稳定性好等优点，高体分碳化硅颗粒增强铝基(SiCp /Al)复合材料 非常适用于航天光机结构。利用超声波钎焊技术可以解决高体分SiCp /Al材料的焊接问题，这 为其在空间相机主支撑结构上的应用奠定了基础。介绍了一种基于高体分SiCp /Al材料的某空 间相机的主支撑结构。通过工程分析比较了同一主支撑结构分别采用TC4和高体分 SiCp /Al两种材料时的力学性能差异。结果表明，采用高体分SiCp /Al材料制成的主支撑结构在质量上轻了31.8%，在一阶频 率上高了25%。通过力热试验可知，该主支撑结构在焊缝强度和尺寸稳定性等方面均满足使用要求。

长焦距离轴三反(TMA)空间光学遥感器各光学元件的位置精度和动态稳定性与其主支撑结构相关，因此，本文研究了遥感器主支撑结构设计方案。对比分析了主支撑结构的常用形式，确定了桁架结构方案，并对其进行了材料选择和连接工艺分析。推导了三杆结构(桁架基本单元)的一阶频率解析式，并确定了其最佳形式。在初始设计的基础上，利用灵敏度分析和参数优化设计方法得到了一种24杆式主支撑结构。作为验证，对该支撑结构进行了静态翻转和动力学试验。试验结果表明，主支撑由竖直状态翻转到水平状态后，前端倾角变化小于10″，一阶固有频率为55 Hz，振动试验中支杆最大应力为135 MPa，满足各项设计指标要求。

为了提高空间相机主支撑结构的刚度,减轻结构质量,根据大型离轴三反空间相机的特点,研究了其主支撑结构的形式。应用Rayleigh法推导了桁架式主支撑结构的基频计算公式,分析了桁架杆间夹角对其基频的影响,并以此为基础研究了其优化方法和优化过程。优化设计了某预研空间相机的桁架式主支撑结构并对其结构特性进行了分析。分析结果表明,设计的主支撑机构的质量减轻了22 kg,基频可达146 Hz,表明本研究对大型离轴三反空间相机主支撑结构的设计具有参考价值。该研究结果已成功应用于某预研相机的样机研制中。