为满足红外成像产品在复杂多变环境下的适应性并实现产品的使用功能，对空间冷光学长波红外相机设计进行了研究。首先进行了相机的结构设计；然后运用Partarn/Nastran有限元软件对相机进行了分析，探究了温降和重力对各透镜面形的影响，计算了相机的前三阶模态，并对相机进行了波像差测试；最后在真空低温环境下完成了相机的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)测试。试验结果表明，相机中心视场面形的均方根(Root Mean Square, RMS)值优于1/50λ，MTF计算值为018719，满足低温红外相机成像的精度要求。

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。

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。

作为空间相机的一个关键部件，机身结构对保证相机正常工作至关重要。按照光学设计和卫星的要求，完成了机身结构的设计工作，选择高体份硅铝合金材料生产机身，选择焊接方式成型机身。通过有限元分析，计算了机身的静态和动态力学性能，证明了机身结构设计的合理性。计算了焊接应力的大小，证明焊接应力不会影响到机身结构的稳定性。最后，对机身结构进行了力学和热学试验，验证了机身的力学性能和稳定性。结果证明，高分辨率空间光学相机的机身结构可以使用高体份硅铝合金以焊接方式制造。

设计了一种采用双蜗轮蜗杆、双滚珠丝杠配合的两点驱动式调焦机构, 弥补了传统调焦机构组件基频低、指向精度差的缺点。依据材料力学理论, 分析了支撑点数量对构件变形的影响; 依据两点支撑的优势设计, 研制了新型调焦机构, 并进行了力学环境试验验证和指向精度的测试。试验和测试结果表明: 该调焦机构三个方向的一阶基频大于 220 Hz, 试验前后焦面指向精度优于 2″。该调焦机构抗力学性能强、指向精度高、运行平稳、可靠性高, 适用于空间遥感相机大尺寸长焦面的支撑与精密调整。

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。