降低结构重量,提高承载效率和保证型面精度是航天器探测结构的设计目标。在太空环境中,由于卫星不断进入阴影区和光照区,其表面温度在-180℃～120℃下进行循环,这使得卫星上的结构会发生严重的热变形。然而,微小的变形就会极大地影响高精度探测结构的型面精度,从而降低卫星探测能力。碳纤维增强复合材料蜂窝具有轻质、高比刚度、高比强度、低热膨胀系数等优势,在卫星天线反射面、太空望远镜和高精度光学支撑平台等先进航天器部件上具有重要应用。然而,复合材料蜂窝仍存在制备工艺不适合、力学行为和失效机制研究不充分、面芯脱粘限制结构承载效率上限以及不易弯曲成曲面壳等问题。解决这些问题不但可以促进复合材料蜂窝的产业化发展,还可以拓宽我国高精度卫星结构的选材范围,服务先进航天器研发计划。因此,本文开展了复合材料蜂窝夹芯结构的构型设计、制备工艺、力学性能表征与评价的研究工作。本文提出了一种基于裁折法设计思想的制备工艺,该工艺可以实现多种构型复合材料蜂窝结构的连续化制备,目前最大生产尺寸为0.6 m×1 m。本文以正六边形为主要研究的蜂窝构型,首先研究了复合材料蜂窝的平压和剪切性能,推导了复合材料蜂窝分别在平压载荷和面外剪切载荷下的理论模型并绘制了失效机制图,揭示了复合材料蜂窝的失效机制。然后,开展了力学性能测试,在平压载荷下观察到了压缩屈曲、压溃失效和混合失效,在剪切载荷下观察到了剪切屈曲和剪切断裂失效。通过对复合材料蜂窝夹芯结构失效过程的分析,获得了极限承载能力与失效机制的对应关系,分析了不同工艺复合材料蜂窝的吸能性能。最后,将复合材料蜂窝的力学性能数据补充到Ashby材料性能选择图中,并与其他材料的蜂窝力学性能进行对比。碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯结构作为航天器结构承载单元,主要承受三点弯曲载荷和侧压载荷。由于引入了碳纤维增强复合材料面板这一设计变量,导致复合材料蜂窝夹芯结构的结构参数增多,其力学行为更加复杂。本文分别推导了复合材料蜂窝夹芯结构在三点弯曲载荷和侧压载荷下的理论模型,采用三维失效机制图分析纤维铺层方向、结构参数以及载荷形式对复合材料蜂窝夹芯结构的失效模式的影响。在三点弯曲载荷下,蜂窝芯子的铺层方式对结构的力学响应影响更大,蜂窝采用0°编织复合材料铺层的夹芯结构在承载过程中会由于蜂窝基体塑性屈服而出现大变形,发生格间屈曲、面板断裂、芯子剪切屈曲、芯子剪切破坏和面芯脱粘五种失效模式;蜂窝采用45°编织复合材料铺层的夹芯结构在承载过程中会由于纤维增强效果提高结构抗弯刚度和极限载荷,发生格间屈曲、面板断裂、芯子剪切屈曲、芯子压陷和面芯脱粘五种失效模式。在侧压载荷下,蜂窝芯子的铺层方式对结构的力学响应影响可以忽略,蜂窝0°铺层的夹芯结构发生剪切宏观屈曲、格间屈曲、面板断裂和面芯脱粘四种失效模式。通过对结构参数、夹芯结构总质量以及载荷方程的无量纲化处理,绘制了承载质量比的云图,结合失效机制图,分别获得了夹芯结构在三点弯曲载荷和侧压载荷下的最佳结构设计路线的几何关系方程,发现面芯脱粘失效限制了结构承载效率的上限。为了提高结构承载效率的上限,进一步开发结构轻量化的潜力,本文通过改进裁折法制备工艺,设计了面芯增强型复合材料蜂窝,该结构具有与蜂窝芯壁相连的增强台,在不过度提高蜂窝芯子密度的前提下,极大地增加了面芯粘接面积,将“线-面”的弱连接形式转变到了“面-面”的强连接形式,提高了蜂窝夹芯结构的抗脱粘能力。本文设计了两种类型的面芯增强型蜂窝构型,通过双悬臂梁拉伸实验测得夹芯结构发生I型断裂下的力学响应曲线,采用改进梁理论求得不同蜂窝夹芯结构面芯间的应变能释放率,分析了结构的失效模式及面芯增强机理,发现六边形复合材料蜂窝的粘接性能要低于其他材质的商用蜂窝,但是面芯增强型蜂窝的粘接性能大大提高,已经和微孔铝合金蜂窝相当,超过了大多数商用蜂窝。最终将面芯增强蜂窝与六边形蜂窝在侧压失效机制图中的面芯脱粘失效模式区域范围进行对比,证实相较于六边形蜂窝,面芯增强型蜂窝的抗脱粘性能有极大地提升。许多航天器结构的部件都需要采用具有复杂三维曲面的夹芯结构来满足气动性或雷达探测等功能。为了解决碳纤维增强复合材料蜂窝弯曲刚度大且“马鞍状”的变形曲面影响曲面夹芯壳的结构精度的关键问题,本文设计了易弯曲复合材料蜂窝,并实现了弯曲曲面的可调控。本文采用曲壁化设计,提出了多种易弯曲蜂窝构型,针对曲壁六边形蜂窝和水母型蜂窝进行研究,推导了面内刚度、泊松比和弯曲变形曲面的理论模型,发现同等密度下曲壁蜂窝的面内刚度仅为直壁蜂窝的1/14,复合材料曲壁蜂窝的面内刚度与商用铝蜂窝相近,可以满足工程应用。针对蜂窝壁夹角、蜂窝壁弦长比和蜂窝壁弧度角等关键结构设计参数对蜂窝的面内力学性能影响开展了研究,设计了一种测量蜂窝弯曲曲面的面外弯曲实验装置,获得了蜂窝弯曲后的位移云图,并与理论曲面的等高线进行对比,获得了主方向性能相等的结构几何参数组合以及可设计力学性能范围,得到了最适合二维曲面和旋转抛物面等工程常见曲面的蜂窝构型。通过有限元仿真方法,对比了分别采用铝合金蜂窝和复合材料蜂窝的卫星天线反射面成型后的残余应力以及热变形后的型面精度,论证了复合材料蜂窝作为高精度航天器承载材料的优越性。