大口径反射镜作为长焦距空间大口径望远镜的核心元件,其面形精度和位置精度直接影响光学系统的性能。随着对空间望远镜成像质量和探测灵敏度的要求不断提高,需要研制更大口径反射镜组件。空间望远镜在地面完成制造、装调和检测后,通过运载火箭运送至太空,并工作在微重力的空间环境中,在此期间经历的振动、冲击、重力释放、温度变化等复杂的热力学环境给空间反射镜的研制提出了更高的设计要求。空间反射镜口径的增大不仅增加了空间望远镜的质量,提高了发射成本;还将提高反射镜对重力、温度等环境因素的敏感度,降低其镜面面形精度。另外,反射镜在地面装调、发射入轨以及在轨工作时的特殊条件,要求其支撑结构具有良好的结构刚度、重力和温度适应能力。因此,设计优化空间大口径反射镜及其支撑结构,使其在满足面形精度要求下,最大限度的减轻发射重量,是实现空间望远镜成功研制的关键技术之一。本文以某空间望远镜的1.2 m口径反射镜及其支撑结构为研究对象,主要研究内容如下:(1)提出了一种大口径反射镜轻量化设计方法。针对1.2 m口径反射镜的光学性能、重量及工作环境等要求,采用传统经验和理论公式设计了反射镜的初始轻量化结构。基于基结构法对该初始结构进行了拓扑优化设计,并根据反射镜力学性能的贡献程度对反射镜的加强筋、半开放背板进行了分组,获得了一种背部半开放式的反射镜轻量化结构。然后基于NSGA-II算法,以反射镜的重量、自重产生的镜面面形精度和光学加工的镜面面形精度为目标,通过Isight集成软件对反射镜的结构尺寸进行了多目标优化设计。经优化后的1.2 m口径反射镜重量仅为68.4 kg,其面密度为58.5 kg/m~2,在径向重力作用下面形精度RMS为3.3 nm,优于λ/50(λ=632.8 nm)。(2)基于Bipod支撑的柔度矩阵分析了其力学特性和功能特性。首先根据旋量理论建立了Bipod支撑的柔度矩阵,基于该柔度矩阵对Bipod支撑的自由度和寄生运动展开了研究:通过分解Bipod支撑柔度矩阵的特征运动旋量和特征力旋量,对Bipod支撑的自由度进行了研究,并分析了Bipod支撑关键尺寸参数对其自由度的灵敏度;基于转动瞬心对Bipod支撑的寄生运动进行了研究,并分别对温度作用和重力作用下Bipod支撑的寄生运动进行了分析,得到了Bipod支撑寄生运动的补偿方法。(3)提出了一种Bipod支撑优化设计方法。基于Bipod支撑寄生运动的补偿方法建立了Bipod支撑的多目标优化设计模型,利用NSGA-II算法对Bipod支撑的关键结构参数进行了优化设计。在确定了Bipod支撑最优尺寸后,建立了反射镜组件的有限元模型,对其进行了静力学分析、模态分析、正弦响应分析和随机响应分析,其在径向重力和2°C温度变化下的面形精度RMS均优于λ/50(λ=632.8 nm),反射镜组件的基频为222.65 Hz。(4)提出了一种用于空间大口径反射镜的可调节Bipod支撑。该可调节支撑能够降低因反射镜组件加工误差和装调误差引起的反射镜面形精度误差。首先引入泽尼克多项式对反射镜与Bipod支撑的位置关系进行了研究。然后通过对Bipod支撑的柔度矩阵进行分析,研究了Bipod支撑的名义转动瞬心与转动瞬心的位置关系,并依据此对可调节Bipod支撑的支撑原理——等腰梯形换向原理进行了介绍;通过对可调节支撑进行逆运动分析,对其运动特性进行了分析;最后通过对使用可调节支撑的反射镜组件建立有限元模型,对反射镜的光学特性进行了分析,对可调节支撑的工作原理进行了验证。(5)为验证Bipod支撑的支撑原理、优化设计方法的实用性,采用与本文相同的设计方法设计了支撑方案相同的试验镜组件,并对其进行了静力学试验验证。