为降低小口径反射镜在复杂环境下的面形误差, 满足其动静态刚度和热稳定性要求, 通过选用合适的空间载荷材料, 对反射镜进行轻量化设计, 合理设计可装调的反射镜挠性支撑组件, 采用ANSYS对反射镜组件进行有限元分析。分析结果表明: 组件一阶固有频率是3 168.5 Hz, 在1 g重力作用下反射镜面形误差RMS值可达8.06 nm, 在10℃温升载荷作用下RMS可达5.58 nm, 在1 g重力和10℃温升载荷耦合作用下RMS值可达11.05 nm, 组件在10 g加速度作用下最大应力是2.109 8 MPa, 简谐激励作用下最薄弱环节最大响应应力为1.284 6 MPa, 均完全满足反射镜组件设计指标要求, 验证了支撑结构设计的合理性。

宽厚比较大的小型轻质薄型反射镜在宽温度范围及恶劣的环境(尤其是低温-40°C)下易发生变形，严重影响系统成像质量。针对这种情况，以挠性支撑原理为基础，借助于热力学理论设计了一种适用于小型轻质薄型分光反射镜的新型挠性支撑结构，采用有限元技术，对该挠性支撑结构的温度适应性进行了分析，并对装配后的反射镜组件进行了低温试验。试验结果表明: 在-40°C温度下，反射镜面形精度峰谷值(PV值)保持在0.25λ(λ＝632.8 nm)，这种新型挠性支撑结构能够满足应用环境的使用要求。

建立了挠性支撑结构的力学模型及优化设计模型, 以使光学元件挠性支撑结构同时满足元件定位的刚度要求和温度适应性的柔度要求, 同时给出了相应的建模方法。考虑挠性支撑结构是由圆周对称分布的挠性单元组成的, 故将挠性单元简化为超静定梁结构, 应用虚功原理推导了挠性单元的径向及切向刚度。然后, 假设光学元件为刚性体, 根据力平衡条件及变形协调条件, 推导了挠性支撑结构的整体刚度, 并引入修正因子补偿了刚体假设带来的误差。最后, 以挠性支撑结构总变形能为目标函数, 推导了同时考虑挠性支撑结构几何构形及参数的协同优化设计模型, 通过引入了整型变量将结构整体刚度简化为整型变量和离散刚度的线性组合, 从而使优化模型中不含有谐波函数项。基于数值仿真和实验对结构刚度模型进行了验证, 结果显示: 实验、仿真和理论计算结果一致。此外, 以透镜支撑为例, 验证了挠性支撑结构的优化设计方法, 有限元分析结果表明, 透镜面形精度较初始设计提高了23%。

设计了一种新的光机结构，以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析， 说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后，以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构，对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析，说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后，论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验，结果表明: 在-60 ℃～80 ℃进行热冲击试验后，主镜不会出现炸裂现象; 而在-20 ℃~50 ℃温度下，反射镜面形精度RMS仍保持在 0.025λ(λ=632.8 nm)水平。 得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。

从满足某空间光学遥感器主镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发, 介绍了长圆形主镜及其支撑结构材料的选择。讨论了主镜的优化设计及其支撑结构的设计方法, 并运用CAD/CAE工程分析软件对其进行了分析及优化, 应用有限元法优化出了一种合理的主镜柔性支撑结构。