随着空间技术的发展,空间光学成像系统得以飞速发展。空间光学成像系统在大地测绘、资源勘探、导航定位以及国防侦察等领域中发挥重要的作用。自1980年以来,卫星的小型化已经成为空间技术的发展趋势。到目前为止,小卫星因具有重量轻、体积小、制造成本低及研发周期短等优点,在监视、侦察、导航、通信映射和气象学等领域发挥了重要作用。因此,空间结构和综合性能的轻量化是轻小型遥感卫星应用的必然要求,也是开发轻小型高分辨率空间光学成像系统的迫切需求。实现光学结构的高度轻量化和性能优化具有重要的意义。结合目前微纳卫星的发展现状,我国在微纳卫星光学载荷方面的研究现处一个快速发展的阶段。为从降低发射成本,减小整机体积和重量,解决实际工程问题,本文针对某型小型空间光学成像系统开展以下几个方面工作。1)对同轴TMA光学系统空间成像系统轻量化设计相关资料进行调研。包括空间反射镜材料、反射镜支撑方式、主体支撑结构形式以及空间光学成像系统的发展现状与趋势等多个方面进行了全方面调研。2)针对某型号小型空间光学成像系统阐述其光学设计要求,并对成像系统空间使用环境进行分析,包括静态环境和动态环境,为优化方法提供思路。3)根据光学设计公差要求,对小型空间光学成像系统中主、次、三镜进行超轻量化优化设计,以反射镜质量最轻为优化目标,利用多目标优化方法寻求反射镜超轻量化最优解,同时探究反射镜支撑机理,对柔性结构进行力学分析,设计一种新型反射镜支撑结构,其中主镜面形精度优于使用要求40%,次、三镜优于使用要求50%,主镜轻量化率达92%以上,满足超轻量化设计要求。4)通过对比目前现有的空间主支撑材料,选取碳纤维(M40)作为首选材料进行次镜桁架系统的设计研究,根据超轻量化设计要求,设计出一种新型的次镜桁架系统。其中一阶谐振频率达210.099Hz,次镜面形精度优于使用要求,此种桁架具有较高的稳定性和结构刚度。5)整机结构具有良好的静、动态刚度,满足总体使用要求,具备发射机条件;同时对主镜组件进行了试验验证,结果表明:主镜超轻量化优化设计与试验结果一致,主镜的超轻量化方法可行,可为类似小型空间光学成像系统的设计提供参考。本课题的研究对小型空间光学成像系统的超轻量化和背部支撑提供理论支持,为轻小型空间成像系统主体支撑机构提供技术支持。经过试验表明,本文提出方法及技术路径可行,具有一定指导意义和参考价值。