设计并研制了碳纤维复合材料主次镜连接筒.根据光学设计中的公差分配, 结合复合材料层合板理论, 分析了复合材料铺层设计对面内刚度和轴向及周向热膨胀系数的影响, 确定了最终的铺层方式.利用有限元软件分析了重力作用下及温度变化时主次镜间的位置变化及连接筒的模态分布.最后, 完成了碳纤维复合材料薄壁连接筒的成型和精加工, 检测了主次镜系统光学性能, 并对装配完成后的相机进行了鉴定级力学试验.分析结果表明: 在1g重力载荷及2℃温升耦合作用下,次镜偏心小于0.002 mm, 次镜倾斜小于2″, 主次镜连接筒及次镜系统组合体基频达到265 Hz, 满足光学设计要求和结构稳定性要求.光学性能检测结果及力学试验结果表明, 主次镜系统波像差满足装配要求, 主次镜连接筒能够承受鉴定级力学试验考核, 连接主次镜的两端响应放大仅1.7倍, 体现了良好的阻尼性能.本文中研制的主次镜连接筒重量仅为6.4 kg, 实现了高轻量化和高刚度, 满足空间相机对主次镜位置精度和稳定性的要求.

为检测空间小型凸非球面反射镜，设计了一种适合其检测的结构。由于需要透射式检测,材料选择有局限性,首先优选反射镜材料,然后优选反射镜支撑方案,并对反射镜定位原理进行详细分析。在设计此反射镜组件时特地添加了阻尼环节及柔性环节,以减小装配应力、热应力及动力学响应,并重点而透彻地分析了装配方法,且对该反射镜组件进行了模拟工程分析。分析结果满足指标要求,该方案设计合理可行。

针对某空间遥感器主承力结构机身结构进行了设计与分析。首先通过对比分析对机身进行结构选型,然后优选出一种新兴材料作为机身结构材料,即高体分硅铝合金材料,并确定连接方案,然后再通过拓补优化手段对机身结构进行优化,把反射镜组件等负载等效成力偶,进行合理的边界约束,大体上确定基本形式,进而优化出一种薄壁加筋结构,在保证机身动、静态刚度的前提下,提高了材料的轻量化率,并应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性的分析。分析结果证明该方案是合理可行的。

本文针对某空间遥感器一重要光学元件即反射镜组件进行了结构设计。该反射镜的结构特点是长宽比大且口径大, 经过优选反射镜材料、认真分析矩形反射镜支撑特点及对反射镜支撑定位原理的仔细研究, 提出了一种基于半运动学定位原理的柔性支撑方案, 即背部三点支撑加三点辅助定位的复合支撑形式, 并应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性分析。经试验验证, 方案合理可行。该方案普遍适用于大长宽比的大口径的反射镜, 解决了大长宽比大口径反射镜结构支撑难题。

调焦反射镜组件作为空间相机整体光机结构设计的组成单元，其结构设计的优劣直接关系到相机成像质量的好坏。该论文的研制背景基于某宽幅相机，调焦反射镜具有长宽 3：1的狭长形轮廓，使得支撑结构设计难度较大。为保证调焦反射镜光学表面始终保持良好的成像性能，调焦反射镜柔性支撑结构必须具有良好的动、静态特性，并且具有较轻的质量，较高的比刚度和良好的加工、装调性。经分析计算，本文设计的柔性支撑结构使调焦反射镜在使用工况下面形达到 1/50λ，一阶模态达到 275 Hz，满足性能指标要求。

作为空间可见光相机的主要承载结构，机身桁架结构对于保证机身的力学性能至关重要。为了保证空间相机机身的结构刚度和稳定性， 针对机身桁架结构设计进行了研究。研究了桁架的基本结构，分析了支杆力学性能的影响因素，探讨了支杆长度和角度对该机身桁架力学性能的影响。分 析了支杆数量、支撑位置和分布形式对机身力学性能的影响，并分析了“Δ”型和“X”型桁架结构的特点。通过选择合理的支杆数量和分布形式，保 证了机身桁架的力学性能。然后在设计分析的基础上进行了力学试验，验证了机身的力学性能。试验结果表明，该桁架结构的设计能够获得较好的力学性能，满足机 身结构的设计要求。

为了确保成像质量, 空间光学遥感器反射镜既要满足在重力和温度耦合的复杂工况下面形误差的要求, 同时还应具有良好的动态特性。设计了一种圆形小型反射镜, 并类比反射镜径向挠性安装原理设计其柔性支撑结构。采用CAE有限元分析软件对该反射镜的柔性支撑结构的参数进行了优化, 最终确定了一种合理的柔性支撑结构。经过分析计算, 该柔性支撑结构能满足在重力和温度耦合的复杂工况下反射镜面形误差小于λ/50 (λ=0.6328μm)的要求, 反射镜组动态特性良好, 一阶模态大于280Hz。

采用计算机辅助工程分析技术(CAE)对某空间光学遥感器反射镜支撑结构进行设计和分析,针对其在自重工况下满足结构刚度要求的同时热尺寸稳定性显著超差的情况,对支撑结构进行改进,变刚性支撑为柔性支撑,弱化结构刚度,增强结构的柔性。通过对改进后的结构进行建模和仿真分析,调整柔节参数,使反射镜组件在自重工况下满足结构刚度要求的同时,具有良好的热尺寸稳定性,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV 值不大于63.2 nm。通过进一步对整个组件结构进行动力学分析可知,结构在正弦扫描和随机振动工况下不会发生颤振、疲劳和破坏。仿真分析结果表明:在柔性结构的调节作用下,反射镜在力和热两种环境约束工况下,面形精度均满足成像质量要求,结构尺寸稳定性好,说明这种柔性支撑结构合理可行。

工程中将实际的非线性系统近似为线性系统，用线性分析方法对所研究的对象进行分析往往会带来较大的求解误差。介绍了产生结构非线性的主要因素，并在接触理论基础上，对某空间相机反射镜组件进行了合理的有限元建模。采用接触非线性分析方法对螺钉预紧时反射镜的响应及在自重和温度载荷作用下反射镜的变形进行了分析。通过比较线性分析与非线性分析的结果表明：采用非线性分析的结果更接近实际；在空间相机的工程分析中，对某些接触部位采用非线性的分析方法可以提高分析精度。