针对大型平板微波天线俯仰系统进行工程研究, 设计了一种强度高、质量轻的桁架结构作为天线背架。根据指标要求建立数学模型, 将整个运动过程通过准确的力学计算进行力矩分配, 从而选定电机、减速机等结构要件; 通过对关键结构件的有限元仿真及高功率微波环境下的电磁兼容性设计, 进一步保证整个俯仰系统可靠工作。通过实验验证, 承载负载总重达到 2 t左右, 角速度最高可达 10°/s, 可以完成 0°~70°俯仰运动, 定位精确度优于 0.1°。实测平板微波天线各项参数均能达到设计要求, 微波测试方向图形态良好, 波束指向满足要求。

针对目前分布式光纤传感应变监测基本处于定性监测这一不足,通过构造分布式光纤传感网络,实现定量监测边坡的位移场。类比空间桁架结构能够构造静定或超静定光纤传感网络,建立由监测应变到节点位移间的非线性关系式,通过求解非线性方程组或非线性最小二乘问题计算节点位移。数值实验验证了该方法的准确性,并分析了该方法的精度。为定量监测边坡位移场提供了一种新的方法。

针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求，本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架， 并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构，可支撑多个周向分布的光学组件，且满足框架总质量不超过55 kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤，进行了有限元分析和力学试验，验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下，仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz，满足一阶谐振频率不低于60 Hz的要求，与有限元分析结果相符。

由于空间相机桁架结构常用的碳纤维复合材料热导率较低, 从而导致结构内部易形成较大温度梯度。本文提出通过在碳纤维复合材料表面附着铜网和粘贴铝膜, 以实现某空间相机桁架结构的导热增强设计。首先, 建立了碳纤维复合材料热导率模型。然后, 针对碳纤维复合材料平板表面附着铜网/粘贴铝膜的结构特点, 建立了平板的传热模型, 并对未经处理的碳纤维复合材料平板以及在其表面分别粘贴0.05 mm和0.5 mm铝膜、附着等效直径为0.08 mm铜网4种不同状态进行了热分析。接着, 通过试验测试获得了不同状态平板结构的等效热导率。试验结果表明, 表面附着铜网/粘贴铝膜可以使面内等效热导率得到不同程度的改善。其中, 在碳纤维复合材料平板表面粘贴0.5 mm铝膜效果最好, 其可使结构的等效热导率提升至41.3 W/(m·K)。最后, 根据试验所得结构等效热导率, 对某空间相机碳纤维桁架进行了热设计。桁架结构热分析结果表明, 单根桁架杆的轴向温差已由6.8 ℃减小为0.8 ℃, 桁架结构温度均匀性得到显著改善。

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。

设计了一种 18杆空间相机桁架式主支撑结构, 解决了大型离轴三反空间相机主支撑结构要求同时具备轻质、高刚度、高强度和高热尺寸稳定性的难题。分析了采用整体框架结构及桁架支撑结构作为离轴三反空间相机主支撑结构的优缺点, 根据光学系统及相机整体结构尺寸特点, 确定了桁架支撑方案。分析对比了单层 6杆桁架结构和双层 18杆桁架结构的动静态刚度。合理选取了桁架式主支撑结构的材料, 分析了对支杆基频的影响因素, 优化设计了支杆的结构参数, 分析了 18杆桁架支撑结构的力、热特性, 并对支杆与杆接头的胶粘结强度进行了试验测试。有限元分析结果表明, 相机桁架主支撑结构一阶固有频率为 78.4 Hz, 次镜在 X向重力作用下绕 Y轴的最大倾角为 4.6″, 动静态刚度均满足设计指标要求。碳纤支杆拉伸试验结果表明, 胶粘结支杆的抗拉强度为 5.85 MPa, 满足强度要求。

长焦距遥感相机框架结构具有主次镜间隔大、结构稳定性难于设计等问题，针对该类型相机结构设计的难题，在详细分析本相机的结构设计输入的基础上，本文提出一种双层 14杆桁架结构的设计方案。通过对该方案进行的有限元分析表明，该结构的一阶模态为 114.97 Hz，次镜基板绕 X轴的倾角为 5″，沿 Y轴的最大刚体位移为 0.03 mm。作为验证，对该桁架结构进行了静态翻转和动力学试验研究，试验结果表明，该桁架结构静态翻转最大倾角变化为 6″，动态加载最大倾角变化为 6.5″，满足设计输入指标要求。

大型空间相机需要使用力学特性强、质量轻以及体积小的机身结构 对光学系统和其他系统进行支撑与固定，以保证镜头的成像质量。分析了铰链连接和螺栓连接-胶接 方案的特点，并对比了各方案的力学性能。根据支杆材料和机身框架材料的性能，优先选择钛合金作为连接结构的制作 材料。考虑到复合材料制造工艺的复杂性以及胶接的高强度和高刚度要求，制定了合理的胶 接工艺以避免和控制胶接所产生的应力。最后通过静/动力学试验验证了接头设计方案的有效性。 结果表明，螺栓-铰接设计方案是一种优化、合理的设计方案。

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。