随着航天技术的发展,科学探测航天器要求有更高的探测精度、更轻的结构质量以及更低的成本。但是航天器在发射和在轨运行过程中,要经历各种复杂恶劣的力学环境。发射阶段,航天器要承受振动、冲击、噪声、过载等载荷;在轨运行阶段,航天器又面临重力梯度力矩、气动力矩、太阳辐射力矩和地磁力矩等空间环境力矩影响。这就对航天器结构设计与分析提出了更高的要求。采用虚拟样机技术建立航天器的数字化模型,通过模拟航天器受到的复杂力学环境,可以加快设计进度,减少研发和试验成本。本文以航天器结构设计及其力学特性分析为主要内容,重点研究三个部分:气球卫星结构设计及分析、星载可展开反射面天线馈源结构设计及分析、探空火箭飞行仿真分析。提出了一种气球和充气重力梯度伸杆相结合的气球卫星设计方案。分析了气球卫星受到的空间环境力矩,建立了重力梯度稳定姿态动力学模型。对气球卫星结构进行总体设计,包括充气展开结构刚化;折叠方式的选择;气球卫星姿态控制方式的确定;载荷舱布局和结构设计;提出了一种气球卫星重力梯度杆杆长计算方法;并对气球卫星进行了在轨寿命分析。对气球卫星进行有限元建模,对其结构的固有频率与天平动频率、轨道频率的耦合情况进行分析,分析结果满足设计要求。针对馈源结构的设计要求,结合卫星的整体构型,提出了馈源结构的初步设计方案。馈源结构包括多频馈源阵、馈源阵支撑板、馈源载荷箱和连接架四个部分,采用蜂窝夹层板与铝合金桁架结合的整体馈源结构形式。并对馈源结构进化了优化:将星体内的喇叭天线部分并入到馈源结构中;对功能重复的载荷进行合并;取消质量较重的连接架;采用全蜂窝夹层板的结构形式;馈源箱体内井字形布局等。优化后的馈源结构整体质量降低、空间利用率提高。建立馈源结构的有限元模型,采用四边形网格划分的壳单元对馈源结构进行等效;蜂窝夹层板采用三明治夹心理论和层合板铺层的方法进行等效;铰链采用bush单元进行模拟等。针对馈源结构收拢和展开状态进行模态分析,同时对馈源结构收拢状态进行静力学中的过载分析和动态响应分析中的频率响应分析。力学特性分析结果表明,馈源结构的强度、刚度等满足设计要求。基于多体动力学仿真软件Adams建立探空火箭飞行过程的动力学仿真平台。首先,定义了探空火箭的参考坐标系,分析了其受力情况,建立了探空火箭动力学方程。其次,在Adams软件中建立探空火箭动力学模型,包括三维建模、定义受力和约束条件、输入大气数据、风场数据、动力学方程、气动特性系数计算方程等。提出一种模拟火箭燃料消耗引起箭体质心和质量变化的等效方法。最后,对探空火箭的整个飞行过程(包括探空火箭的位移、速度和加速度)进行了仿真分析,结合探空火箭真实飞行GPS数据与飞行仿真结果进行对比,验证了仿真分析方法的合理性。这个仿真平台的建立,将有利于机构运动和火箭姿态耦合情况更真实的模拟,为火箭内部弹射、展开等运动机构的设计提供帮助。