为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度, 针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点, 设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构, 并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机, 并对整机进行有限元分析.结果表明, 光轴呈水平状态, 次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″, 次镜相对于主镜的偏心为0.021 mm, 均在光学系统公差要求范围内.此外, 对前框架结构进行自由模态分析与试验, 结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷, 能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.

对于与卫星平台卧式安装的长焦距离轴三反空间相机，由于地面与在轨状态环境条件不同引起平台接口与相机产生温度差，导致相机视轴漂移影响成像质量。为解决此问题，提出了将柔性连接座、刚性连接座和可解锁连接座配合应用的优化连接方式，实现了相机与平台在轨状态3点静定柔性连接，并在运载阶段利用可解锁连接座提高相机基频。利用有限元方法对优化连接方式进行验证，平台接口温度降低15℃引起次镜角度变化为9.62″(安装位置跨距1.2 m)，满足光学设计要求；同时运载阶段相机在X、Y、Z三方向频率响应基频分别为120 Hz、120 Hz、110 Hz，与全刚性连接情况相比无明显降低。利用试验工装模拟平台进行温度变化替代试验，平台在温度提高15 ℃情况下，试验结果与仿真结果相符，且次镜转角实测值与仿真结果最大误差为9%。试验结果说明优化连接方式解决了卫星平台与相机在轨状态温度差引起的视轴漂移的问题，提高了相机的在轨环境适应性。

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点, 提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板, 以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分, 故降低了结构整体重量, 提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测, 结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ, 均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试, 测得一阶模态频率为48 Hz, 对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz, 满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中, 通过分时对主镜和三镜进行加工, 省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间, 加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率, 为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。