随着对空间信息获取能力的要求不断提高, 使得高分辨率动态遥感成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场同轴三反光学系统具有长焦距、体积小、轻量化程度和成像质量高等特点, 能够满足低轨视频卫星高分辨率、多谱段、多功能性和低成本的要求, 因此在高分辨率动态遥感领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三反射消像差理论为基础, 设计了可见光面阵成像、近红外和中红外线阵推扫成像的共孔径光学系统。可见光系统焦距4.1 m, 近红外系统焦距2.6 m, 中红外系统焦距1.85 m, 三者孔径均为520 mm, 视场均为0.6°×0.6°, 成像质均接近衍射极限, 成像质量良好。系统总长小于f′visible/3.7, 且系统的加工和装配公差较为宽松, 易于实现。

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。

主反射镜的面形精度对空间相机的成像质量至关重要。为保证 空间相机在宽温度范围(20±10℃)内的成像质量，设计了一种柔性支撑结构。首先，选择碳化硅(SiC) 作为反射镜材料，并对主反射镜镜体进行了背部半封闭式轻量化处理。其次，针对这个孔径为550 mm的圆 形主镜组件在20±10℃温度范围内的使用环境，设计了一种柔性铰链结构。利用Matlab软件优化了支撑结构参 数，使得支撑柔性结构在受到温度载荷时沿着径向具有足够的柔性，并可吸收变形和降低反射镜应 力。通过有限元分析可以看出，该支撑结构的一阶频率达到267 Hz，远高于机身组件的固有频率，因此可保 证主镜组件不遭到破坏。而且在重力耦合10℃温度载荷时，反射镜的面形误差(RMS值)也满足光学 系统优于λ/40的要求。

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。

主镜是空间相机的主要成像部件, 其面形误差和位置误差将会决定成像质量。 设计了一种孔径为Φ660 mm的圆形主镜组件。通过对比6点定位原理实现反射镜体的全约束, 并经三点在背 部支撑主镜, 其中每点均为多层柔性结构。合理分配每点支撑的自由度及刚度, 同时卸载温度变化时 由于材料的线胀系数不同而传递到反射镜上的应力, 使反射镜变形均匀。有限元分析结果表 明, 本文设计的主镜组件的面形误差RMS值达到1/50λ (λ=632.8 nm), 一阶模态达到249 Hz, 并具有良 好的动态刚度。

第三镜热控罩是为第三镜组件而设计的粘贴加热片的载体。在设计方案选择时首先从热力学角度考虑问题, 确定热控罩与第三镜的距离, 然后对热控罩的材料和结构方案进行优选和设计, 再利用有限元法对设计方案进行静力学、动力学及热力耦合分析验证。结果表明, 热控罩无论在静力学还是动力学方面均满足设计和使用要求, 设计方案合理可行。

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。

空间反射镜的支撑结构决定了反射镜的性能。通过有限元分析来优化支撑结构参数需要很大计算量,而且无法找到最优解。为了缩短设计周期,提出用人工神经网络来模拟反射镜组件输出特性和支撑结构参数间的非线性关系,并用MATLAB编制程序实现神经网络的建立和泛化,最终找到使反射镜输出特性最优的支撑结构参数。该方法不但能找到多变量优化的最优解,而且计算表明用神经网络泛化得到结果和有限元分析计算得到的结果相差在5%以内,精确度足以满足工程应用要求。

大口径平面基准仪是在大口径、大视场的空间光学遥感器光学系统装调过程中必须应用的基准工具，随着光学系统的口径和视场的不断增大，平面基准仪口径也不断增大，本文从满足大口径平面基准仪反射镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发，介绍了1 000 mm 大口径平面基准仪反射镜及其支撑结构材料的选择，讨论了反射镜的柔性支撑结构的设计方法，并运用CAD/CAE 工程分析软件进行分析及优化，应用有限元法优化出一种合理的反射镜柔性支撑结构。