在轨维修可以大大的延长空间科学仪器的使用寿命, 节省大量的经济成本。为了实现空间望远镜后端模块的在轨操作和更换, 设计了一套与之对应的接口机构, 能够解决在轨快速定位与安装。根据321运动学定位准则, 详细介绍了该接口机构的内部组成和工作原理; 然后把该接口机构与后端模块进行组件级有限元仿真, 仿真结果表明一阶模态远高于整机基频可以有效地避免发射时候的共振; 设计了一套平面内的工装来模拟后端模块, 利用等效质量法对整个机构进行重力卸载; 搭建实验平台, 利用激光跟踪仪来测量整个后端模块的重复定位安装精度, 实验数据表明, X, Y, Z 3个方向的重复平移定位误差分别为±5.58 μm, ±3.24 μm及±3.63 μm, 优于总体指标±10 μm; 热实验结果表明整个机构可以完全释放由于温度变化产生的形变, 具有很高的热稳定性; 使入射光线和靶面的相对位置持续稳定, 保证了较高的成像质量。为其他空间在轨维护装置提供强有力的参考价值。

根据深空探测相机轻质高刚度、高性能的要求, 设计了一种超轻主支撑结构。深空探测相比于地球探测环境更加严苛, 主支撑结构作为主承力结构, 其在发射、在轨环绕阶段都应具有高稳定性, 来保持各光学元件之间的相对位置不变。与传统方法相比, 文中采用拓扑优化得到清晰的主支撑结构的最佳传力路径, 然后通过尺寸优化来提高主支撑结构基频。最后进行轻量化设计, 其前后框架结构轻量化率达到90％以上。仿真分析和试验结果表明, 主支撑结构满足公差要求且基频(80.264 Hz)远远高于整星一阶频率, 应用光学测量的方法振前、振后前框架相对于后框架倾角为3″、0.3″, 满足光学系统的公差要求, 具有较好的稳定性。大量级力学试验后系统的波像差<λ/14, 满足光学系统成像质量要求。

为了实现空间望远镜大型光学载荷的在轨更换, 设计了一种能够实现在轨快速拆装的定位机构, 并针对其核心问题即在轨重复定位精度进行了研究。首先, 选定了一种能够避免热应力的运动学定位方式。在此基础上设计了定位机构, 并根据刚体的微小角位移是矢量并符合矢量合成法则的原则, 利用角位移矢量合成的方法推导出了光学载荷的转角数学模型; 然后, 设计杆系结构模拟了光学载荷及其框架, 同时为了模拟光学载荷在轨拆装的微重力环境, 利用微重力模拟的常用方法悬吊法设计了悬吊装置, 以实现光学载荷模块的重力卸载; 最后, 搭建了试验检测环境, 对光学载荷模块进行重复拆装试验, 利用经纬仪及数显千分表进行检测, 并处理试验结果得到了重复定位误差值。结果表明, 光学载荷模块的重复安装转角误差最大为±28.8″, 平移误差最大为±0.057 mm。本文研究能够为在轨可更换载荷定位机构的设计提供参考, 具有理论意义和应用价值。

为满足大口径离轴三反空间望远镜在轨成像质量需求, 设计了一种基于6-PSS并联机构的次镜调整机构, 并针对其精度进行了分析与实测。首先, 分析了次镜调整机构的组成和光学系统对它的精度需求。随后, 以逆运动学分析为基础建立了次镜调整机构的误差模型, 并对结构参数、动平台位置、动平台姿态对整机精度的影响进行了理论分析, 根据分析结果结合实际空间包络及重量等约束确定结构参数, 并采用Monte Carlo模型分析了该结构参数下的次镜调整机构的随机误差和系统误差。最后, 搭建了精度测试系统, 对次镜六维调整机构的主要技术指标进行了实测。测试结果显示, 次镜六维调整机构的位移分辨率优于0.1 μm, 角度分辨率优于0.5″, 双向重复定位精度达到亚微米/亚角秒量级（±0.4 μm/±0.3″）, 其绝对定位精度可以达到微米/角秒量级, 满足大型空间望远镜在轨成像要求。

为了提高空间相机次镜Stewart型调整机构的定位精度, 需要完成机构的精密标定。针对6-PSS Stewart机构, 首先依据最小二乘原则, 利用驱动残差构建了参数标定模型。其次为提高标定优化问题的全局求解精度, 采用自适应路径(Variable Step Adaptive, VSA)及限界处理对单纯形布谷鸟算法进行改进, 并应用于标定优化问题求解。数值仿真表明其求解能力并优于单纯型布谷鸟算法。最后, 为保证标定的全行程有效性, 规划了包含位姿六元素的试验数据采样方法。实验结果表明, 经过该方法标定后, 位姿采样点处最大位移误差由19.97 μm降为9.68 μm, 最大转角误差由123.84″降为最大8.86″, 在非采样点处最大误差与采样点处在同一量级水平。基于上述模型、算法和采样位姿规划的标定方法可有效提高定位精度, 且标定结果在全行程区域内有效。

为满足空间望远镜在轨主动光学控制需求, 需要精密调整次镜相对于主镜的六自由度位姿, 为此, 针对6-PSS Stewart平台构型的次镜精密调整机构, 设计完成了基于并联机器人关节空间方法的运动控制系统。以DSP和FPGA为核心处理器, 编码器为反馈元件, 集成电机三相桥为驱动元件, 设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制电路。基于次镜调整机构的顶层逆运动学模型和底层连杆控制系统, 设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制算法, 该方法参数易于调整, 利于工程实现, 满足空间运动机构高可靠性调整需求。试验结果表明, 该运动控制系统能够满足全行程内0.7 ?滋m(位移)和3"(角度)运动调整精度需求, 能够满足空间望远镜主动光学调整任务。

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证, 然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明, 采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8 nm), 镜体刚体位移小于0.01 mm, 镜体转角小于2″, 质量小于50 kg。整个组件模态分布合理, 基频为161 Hz, 远高于设计要求的120 Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好, 满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。

针对民用低成本立体成像的应用需求, 设计了一种轻小型立体成像相机光学系统, 旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像, 该光学系统在焦面探测器配合下, 既可实现立体成像, 又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f′=32 mm, 视场角2ω=66°, 相对孔径D/f′=1: 6.8, 工作谱段450~750 nm。光学系统设计中, 采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式, 最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm, 几何畸变小于0.1%, 边缘视场与中心视场照度比0.83, 边缘视场与主光线入射角小于15°。光学系统采用精密定心装配, 并对成像质量进行了检测, 装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm, 满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。