近年来,使用空间望远镜进行天文和对地观测越来越普遍。与地基望远镜相比,空间观测避免了天气和大气湍流对观测的影响,支持对地球大气层阻挡波长的观测,从而提供更为丰富的观测信息。大口径空间反射镜是空间望远镜中最重要的组成部分,其性能直接关系到空间望远镜的成像质量。随着空间观测对分辨率的要求不断提高,大口径、长焦距成为空间望远镜的主要趋势。对空间反射镜的轻量化率、面形精度、结构稳定性提出了更为严格的要求,相应地增加了地面集成装配和试验验证的难度。本文针对空间大口径反射镜轻量化设计、高性能柔性支撑设计、精密装配等科学问题,从理论研究、结构优化、全自动仿真链路、试验验证等方面对空间2m级主镜组件开展了研究。首先,结合反射镜传统轻量化设计方法与拓扑优化设计方法,以镜面面形误差RMS值为目标,以质量或体积分数为约束,在保证镜体结构规整的情况下,主镜轻量化率达到了85.7%。通过稳健性设计评估了镜体结构尺寸及材料属性对镜面面形精度的影响,面形误差在可接受范围内。其次,从柔性支撑用于隔离力或力矩向镜面传递的角度开展了三点支撑理论研究,分析了重力、装配误差、温度变化、基频对支撑的柔度需求。根据此理论确立了并联式三脚架柔性支撑拓扑结构,该结构具有转动能力大,轴向刚度高等优点。并对支撑进行了柔度闭合方程推导和快速参数优化。优化后,光轴水平重力工况下的面形误差和刚体位移分别为4.65nm和12.6μm。0.1mm装配误差工况和4°C温度工况下的面形误差分别为3.43nm和3.4nm,镜组件一阶频率达到129Hz。设计结果均满足设计指标要求,并有效缩短了设计周期。此外,通过惯性释放分析和2m反射镜组件有限元分析分别验证了三点支撑理论和快速优化结果的准确性。再次,对2m主镜进行了有限元分析,通过仿真考察了结构稳定性和合理性,并为主镜组件进一步优化和试验提供了依据。其中,通过面形仿真准确性试验确立了有限元仿真规范,面形误差仿真精度在10%以内。在正弦和随机工况下柔性支撑最大动应力分别为242.3Mpa和455.7Mpa,低于材料微屈服应力。最后,针对大口径空间反射镜研制成本高、周期长的特点,提前进行了关键技术攻关与试验验证。本文对2m主镜模样件及关键技术开展了试验验证,完成了柔性支撑柔度及零力矩点测量试验和2m主镜模样件振动试验,验证了反射镜支撑设计方法有效性和仿真分析结果的准确性。并建立了补偿装调技术流程,通过逆向建模、质心测试可补偿SiC反射镜制备误差引入的面形误差,提高反射镜装配精度。为了定量确定面形精度退化的原因,本文研究了面形误差退化机理,并在0.45m超轻空间望远镜上进行了验证。通过2m主镜模样件及关键技术试验,降低了技术风险并为2m SiC主镜组件的研制成功奠定了基础。