离轴三反光学系统没有中心遮拦,可以实现大视场,高分辨率,获得接近理想的成像性能和效果,被各国科研人员广泛作为空间相机的光学系统。但由于其光学系统的非对称性特点,相对于同轴对称系统,它的支撑结构设计与装调技术是公认的技术难点。此外,为了实现空间相机的超大幅宽与高地面分辨率,实现详普查功能一体化,需要不断增大光学系统的焦距与视场角,大视场长焦距离轴三反光学系统中,各光学元器件的位置精度要求更加严格,空间相机在装调、运输、发射过程中的尺寸稳定性也更加难以保持,这些都给主支撑结构设计带来了很大的挑战。本论文根据某离轴三反光学系统空间相机,其主、三、折叠镜长度均超过1200mm,长宽比均超过3:1,质量均大于40kg,主次镜间距超过1500mm的特点,从以下5方面对大型离轴三反空间相机主支撑结构的优化设计及力学性能展开了深入研究。1.调研国内外离轴空间相机主支撑结构的典型形式,针对高分辨率、宽视场离轴三反光学系统的特点,分析研究了不同支撑方式的优缺点,选取适合本论文的主支撑结构形式。2.桁架结构拓扑形式研究。根据变密度法,对本论文研究的桁架式支撑结构进行多目标拓扑优化设计,设计出合适的桁架式初始结构,并将此初始结构拆分成各个次结构,研究分析次结构桁架杆角度对整机性能的影响。3.前框架结构优化设计研究。根据光学系统特点,提出一体化支撑折叠镜、次镜组件的前框架结构。首先,结合加工工艺性与前框架的尺寸要求,通过对不同航天常用工程材料分析对比,选取钛合金作为前框架的研制材料;其次,根据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,提出了一种综合基于自由模态与约束模态拓扑优化方法,优化设计前框架结构的轻量化形式;最后,对研制出的前框架结构的进行了自由模态分析与MIMO自由模态试验,验证了优化与分析方法的正确性。4.基于动力学目标的桁架杆尺寸优化设计。根据随机振动理论,提出加强局部区域的刚度可以减小该区域随机振动响应的假设,并提根据此观点提出了一种以镜子安装点随机振动响应最小的多目标尺寸优化方法来优化本论文的桁架杆尺寸,通过桁架结构力热样机动、静态力学分析与试验,验证了该设计方法的合理性,并验证了本论文所提出理论假设的正确性。5.桁架结构消热设计。研究离轴空间相机桁架结构热变形特点,根据消热化设计原理中热变形后桁架杆轴向距离相等的原则,推算出各个桁架杆热膨胀系数的函数关系,并根据光学公差要求,推算出桁架杆热膨胀系数的取值范围;并根据碳纤维复合材料热膨胀系数可设计的特点,综合刚度与热膨胀系数两方面因素,设计出满足性能要求的桁架杆碳纤维复合材料铺层方式。