针对某微小型离轴空间相机结构紧凑、质量轻的设计要求，设计了一个高度轻量化的整体式碳纤维主框架。首先，根据空间相机具体功能的设计指标和光学系统，确定主框架的材料和结构形式，设计出碳纤维整体式主框架的基本构型。接着对铺层厚度参数化优化，并考虑碳纤维复合材料的制造约束，确定了主框架碳纤维铺层的厚度、比例。将参数化优化的结果进行离散化，进行碳纤维铺层顺序的优化，确定了最佳的堆叠次序，完成了碳纤维的铺层优化设计，实现了主框架的轻量化设计，解决了复杂碳纤维零件优化的问题。然后对设计完的碳纤维主框架结构代入整机有限元模型中，进行有限元仿真分析，验证主框架的性能指标。最后，将整机装配完成进行动力学试验，并与有限元分析结果进行对比验证。经过优化，碳纤维主框架的质量为4.5kg，相机一阶频率为81Hz，动力学试验得到的相机整机的一阶频率为78Hz，仿真误差为3.7%，符合仿真结果，进一步说明了设计的合理性以及正确性。本文提出的空间相机碳纤维整体式主框架设计方法对微小型离轴三反式空间相机结构设计以及碳纤维零件的轻量化优化设计具有一定的借鉴意义。