空间高精密运动机构指支撑光学系统或其他精密系统的两轴运动机构,被广泛应用在空间自由光通信、空间雷达扫描、空间预警、空间天文所需的精确指向机构、深空探测等领域,可以实现目标捕获、跟踪、瞄准,其对跟踪精度和跟踪平稳度提出了很高的要求,而运动机构支撑结构和轴系之间的耦合作用及热变形严重影响了运动机构的精度,同时运动机构工作的复杂的空间环境如高真空、温度交变、高低温及辐射等都对运动机构的工作性能和寿命产生很大的影响,从而可能导致运动机构―卡死‖而导致航天任务失败。本文从理论和实际应用角度出发,研究空间运动机构热变形对运动机构高可靠、长寿命影响因素作用机理,揭示了空间运动机构主体支撑结构与轴系耦合热变形及轴系内部赫兹接触应力与运动机构工作性能和寿命的关系,并在此基础了提出提高轴系工作性能和寿命的措施和方法。本文以空间二维运动机构为研究对象,开展空间运动机构结构-热变形和轴系可靠性和长寿命研究,主要研究内容如下:针对空间高精密运动机构的工作环境及工作特点,揭示了结构-热变形对―精密‖运动机构跟踪性能的影响机理,研究了固体润滑膜层的特性及润滑机理,探究了载荷、温度等因素对影响固体润滑性能的影响。针对运动机构U型结构与轴系的特点,以空间换热、热传导、热辐射理论为基础,建立运动机构及运动轴系温度场计算模型和轴系热阻模型,并以热弹性力学、热静力学为理论基础,建立运动机构主体结构、半封闭U型结构与轴系耦合及轴系内部的温度-应力场数学模型,采用有限元仿真、理论分析的方法研究了热变形引起的轴系载荷的变化,通过地面试验和在轨试验验证验证了数学模型的正确性和分析方法的可行性。针对高可靠的空间固体润滑―精密‖运动轴系,揭示温度、预紧力、温差和转速多物理量与摩擦力矩的影响机理,建立摩擦力矩和多个物理量的耦合关系网络。通过大量数据的试验结果,量化的测量了不同温度、温度梯度、预紧力和速度条件下的轴系的摩擦力矩,揭示了摩擦力矩与多物理量之间的变化规律,为空间运动机构―精密‖运动轴系高可靠工作提供理论和试验数据基础。试验定量测试了真空条件下MoS₂固体润滑轴承热特性,验证了轴系热阻模型,将试验结果用于修正轴系热模型,为空间运动机构温度场分析和控制提供理论支撑和数据支持。针对运动机构轴系预紧力的变化影响其寿命的内在机理,并考虑将轴系装配进运动机构中的工作性能,对运动机构进行整机分析和试验,揭示MoS₂基复合薄膜轴承磨损与发射环境、高低温和温度交变的关系并建立膜层磨损模型,设计运动机构―整机‖加速寿命试验,通过试验后滚道和滚珠上的固体润滑膜层EDS分析结果,验证了膜层磨损理论,预测了运动机构的在轨寿命。基于运动机构预载荷对运动机构寿命影响的研究,以热弹性理论和赫兹接触理论为理论基础,以轴系可靠性试验为试验数据支撑,揭示轴系预载荷与赫兹接触应力之间的关系,提出了一种空间轴系可调预紧力、温度调控设计与工艺实施方案,实现了运动机构预紧力的最佳控制,保证了空间轴系在轨高可靠工作。对空间载荷的热控制技术进行了介绍,提出一套切实可行的热控方案,通过热平衡试验和在轨应用验证了热控系统设计的合理性。本文主要技术进步与创新点如下:1)以热弹性力学、热静力学理论为基础,建立了运动机构半封闭U型结构与轴系之间及轴系内部的温度-应力场数学模型和轴承内外圈热阻模型,通过在轨与地面环模实测数据,验证了结构-热耦合数学模型及热阻模型的准确性,为空间运动机构温度场分析和热控提供了理论和数据支持。2)研究了温度、温度梯度、预紧力和速度对轴系摩擦力矩的影响,开展了不同温度、温度梯度、预紧力和速度条件下的轴系摩擦力矩的系统性试验测量,得到了摩擦力矩与上述多物理量之间的变化规律,为空间运动机构温度指标设定提供了理论依据。3)提出了一种基于温度控制的空间轴系预紧力调控方法,实现了运动机构预紧力的在轨调控,为提高轴系在轨运动寿命提供了一种新颖的技术途径。上述成果已成功应用于创新三号卫星和嫦娥三号月基光学望远镜项目中。