空间光学遥感技术已成为我国战略发展的重要领域,为了满足用户高分辨率、大视场的使用需求,空间相机中主要光学元件的口径不断增大、支撑结构日益复杂,不断提高的整机重量与火箭有限的运载能力之间产生矛盾。在这样的背景下,研究如何进一步提升空间相机支撑结构的轻量化率、减轻整机重量,对空间光学的发展具有十分重要的意义。采用新型结构材料是提升空间相机轻量化率的重要途径,碳纤维蜂窝夹层结构是一种特殊的结构材料,具有面密度低、比刚度高、抗疲劳特性好等优点,是实现空间相机轻量化设计的理想材料。碳纤维蜂窝夹层结构因其优良的力学性能,现已成为航天领域内不可或缺的材料之一,国外已将该材料应用到诸多天基光学仪器中,而在我国,该材料在空间相机中的应用尚处在探索阶段,该领域内缺少相关的科研实践。因此,本文围绕基于碳纤维蜂窝夹层结构的空间相机光机结构设计这一核心内容展开了相关的研究性工作。为了适应空间相机的分析需要,本文提出了基于正交各向异性实体单元的蜂窝夹层结构建模方法,用以替代工程分析中普遍采用的二维建模方法。新方法中将蜂窝芯子等效为“中间层”,分别使用实体单元和壳单元表征蜂窝芯子和面板,该方法可以直观地表征蜂窝板内部的受力情况和局部变形。结合蜂窝的力学特性,本文推导出用来描述中间层等效物理属性的9个独立弹性参数表达式。通过在算例中与精细模型间的比较,以及对典型蜂窝夹层结构单机安装板进行模态敲击试验,数据表明该建模方法可以充分体现蜂窝夹层结构的力学特性,同时其计算精度能够满足工程分析的需求。为了进一步提升结构轻量化率、改善相机工作性能,本文尝试运用碳纤维蜂窝夹层结构为某型号同轴空间相机设计主承力板。结合该相机的光机结构特点,基于传统“碳纤维面板+铝蜂窝芯子”的夹层结构设计了铝蜂窝主承力板方案,基于“全碳纤维复合材料蜂窝夹层结构”理念设计了全碳纤维主承力板方案,其中,碳纤维复合材料均选用M40J环氧基预浸料,铺层顺序按照[0°/45°/90°/-45°]_S执行,并向蜂窝夹层结构中引入加强措施,以实现提升整体刚度和局部粘接强度的目的。采用前文提出的蜂窝夹层结构等效建模方法,建立各方案的整机模型,分析讨论了蜂窝主方向、蜂窝芯子规格、夹层结构关键参数等对主承力板力学特性的影响,研究了同轴相机底部支撑点布置方式对相机工作性能的影响。对两种方案进行比较,发现全碳纤维主承力板方案在工作性能、轻量化率和工艺可靠性等方面具有显著优势,更加适合应用在具有高精度、高稳定性要求的光机结构设计之中。针对全碳纤维主承力板方案开展了较为深入的优化设计工作。本着简化结构、提高可靠性的原则,提出两种结构紧凑且适用于夹层结构的埋件形式,即独立式埋件和贴片式埋件。建立全碳纤维主承力板方案的参数化有限元模型,进而基于Isight环境建立主承力板的集成优化模型;开展灵敏度分析,研究蜂窝夹层结构中各主要参数对相机主要精度指标的影响;在集成优化的过程中,以整机重量最小化为目标函数,兼顾相机主要性能指标,运用MIGA算法确定了主承力板中各结构参数的最佳组合。经优化得到的最终方案中,外径φ484mm圆形主承力板高42mm,结构最薄处为蜂窝侧壁,仅0.64mm厚,上、下面板分别厚1.92mm、1.28mm,设计重量仅为1.98kg;对空间相机开展全面的仿真分析,得到主次镜最大相对位移和转角仅为3.719μm和3.38″,充分满足光学允差要求,整机一阶分析基频达到114.4Hz,正弦及随机振动中的放大倍率适中,说明此时相机具有优良的空间环境适应能力和动力学特性。围绕全碳纤维主承力板方案,充分考虑连接强度、可靠性等问题,制定了独特的全碳纤维蜂窝夹层结构制备工艺,详细阐述了全碳纤维主承力板的成型过程,讨论了其中的工艺难点以及相关制备细节。成功研制了一件全碳纤维主承力板,实测重量仅为2.01kg,与该相机原铝基碳化硅主承力板相比,质量减轻了约67.6%。对主承力板进行了高低温热循环试验,通过三坐标测量发现试验前后各主要安装面的平面度保持良好。以全碳纤维主承力板为核心搭建力热样机,开展了一系列环境试验及相应测试,包括:对全碳纤维主承力板进行模态敲击试验,测量其模态信息;通过翻转试验中测量基准棱镜夹角变化,对力热样机在重力作用下的变形量加以测试;通过力热样机的振动试验,测试整机基频和关键位置的加速度响应,并复测基准棱镜相对夹角;将高精度正样主镜与主承力板连接,用干涉仪检测该状态下的主镜面形,等等。装调重力作用下,力热样机主次镜间相对转角及主镜与主承力板间的相对角度分别仅为2.88″和0.36″;测得力热样机的基频为110.74Hz,关键部位的加速度放大倍率适中,大量级振动试验后主要棱镜间夹角变化量均在3″以内;将主镜安装到主承力板上,其面形RMS值优于0.02λ。试验及测试结果表明,全碳纤维主承力板不仅具有良好的结构稳定性,还具备合适的动静态刚度和充分的强度,能够满足光机系统的装调需求和运载对遥感器的动力学要求,以上研究较为准确地展示了全碳纤维主承力板的力学特性和此时空间相机的工作性能。本文的研究充分验证了全碳纤维主承力板技术路线的可行性,以及文中结构设计的合理性、正确性。文中所做的探索对今后蜂窝夹层结构在空间相机中的应用及类似结构的优化设计具有重要的参考价值和借鉴意义。