针对采用Whiffletree式底支撑和推拉平衡重式侧支撑的大口径主镜在主镜室中的准确定位, 基于运动学约束原理提出了一种大口径主镜侧向定位方法。介绍了运动学约束的基本原理, 提出了一套主镜侧向定位系统实现方案, 包括定位点位置的选取、柔性铰链和定位基座的设计, 并设计了一种侧向定位系统。利用有限元方法, 分析了设计的侧向定位系统对大口径主镜系统的位置、谐振频率和镜面面形精度等方面的影响。结果表明, 使用该侧向定位系统的整个主镜系统谐振频率达到13.6 Hz, 光轴水平时主镜沿Y轴方向的平均位移为-355.863 nm, 镜面面形未受影响, 所有指标均满足设计要求。实验结果验证了提出的主镜侧向定位系统设计方案对大口径望远镜主镜的支撑和定位系统设计具有工程指导意义。

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。

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。

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。

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形，研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法。将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理，对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合。以4 m SiC轻量化主镜为例，采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算，得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值。计算结果表明：准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大，其面形误差RMS为278.3 nm。采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合，获得了准Zernike像差项的系数。采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数，结果表明，18种温度场下产生的像差形式主要有：平移、倾斜、离焦、彗差和像散。

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。