空间望远镜是人类研究探索宇宙的最重要最直接的工具,它的发展关系到人类对宇宙研究的速度和进程,是人类发展进步,认识自然界的一个重要科学手段。相比地基望远镜它具有良好的观测环境和观测条件,受到天文学家的青睐。大口径空间反射镜是空间望远镜的最重要的组成部分,也是制约空间望远镜发展的一个关键因素。开展大口径的空间反射镜的设计及制造研究,可以解决空间望远镜技术的重大技术瓶颈问题,促进我国空间科学事业的发展,是一项有重大意义的研究工作。在空间科学领域,我国长期受到欧美发达国家的技术封锁,开展自主的空间科学研究离不开自主的空间反射镜设计和制造技术。针对我国空间科学技术发展过程中对大口径空间反射镜的迫切需要,本文依托中国科学院长春光机所重大创新项目“大口径空间反射镜设计及制造技术”,项目编号:“CIOMPCX201402”,在充分调研国内外大口径空间反射镜研究成果的基础上,以系统的掌握大口径空间反射镜的设计及制造技术为目标,采用人工干预下的反射镜轻量化结构参数自动设计优化方法和大容差的复合式三点极近似球铰柔性支撑方式,运用计算机仿真技术建立反射镜的静、动力学模型对反射镜组件结构进行设计和优化。开展了SiC材料的1.5m口径空间反射镜的设计和研制,并对其进行了相关的试验和测试,各项技术指标符合空间望远镜的应用需求,系统的验证大口径空间反射镜设计及制造技术解决途径的有效性和可行性。本文主要完成了以下5个方面的研究工作:(1)系统地梳理了大口径空间反射镜的设计、制造约束,分析了在各种工况下的应用要求,建立了空间反射镜支撑结构的机械原理模型,通过对反射镜的支撑要求和支撑原理分析,提出了大容差支撑结构的大口径反射镜支撑技术方法,设计了极近似球铰副柔性支撑结构,完成了反射镜三点复合支撑几何模型的构建。根据这些建立了完整的反射镜组件的静力学和动力学有限元模型,分析确定反射镜在整个寿命过程中的受力工况,采用Nastran仿真软件进行了模拟仿真。计算结果与研制完成的1.5m口径SiC反射镜获得的试验和检测数据比对较为一致,由此可见,采用以上有限元分析方法对大口径空间反射镜设计优化和试验预测等方面具有良好的指导性意义。(2)提出人工干预下的反射镜轻量化结构自动参数化的反射镜轻量化设计优化方法,编制相关软件,将结构参数化软件与UG、UG与Nastran自动建立链接,实现了参数化结构模型到有限元模型的自动化优化设计,极大的提高了反射镜轻量化结构设计的效率和准确性,为保证1.5m口径反射镜的研究和验证奠定了技术基础。人工干预的措施使得整个设计优化过程快速收敛,解决了病态解输出的问题,剔除了加工工艺性差的输出结果。运用这种方法和软件对1.5m的SiC反射镜进行了轻量化设计优化,优化后反射镜重量155.6kg,轻量化率达到了82.9%,面密度88.1Kg/m~2。轻量化的反射镜在后续的研制过程和试验测试的验证过程中表现出较好的刚度和稳定性,各项性能参数满足空间望远镜的实际需要。采用该方法和软件进一步对1.5m的SiC反射镜进行了新的工艺手段下的轻量化设计优化,反射镜的重量由155.6kg降低到56.1kg,轻量化率进一步提高达到了93.8%,面密度31.7 Kg/m~2。(3)极近似球铰副柔性支撑结构的实现,使得实际的研制结果与物理模型非常接近,其结构性能符合研究预期,该结构使得空间反射镜面形精度对热应力、装配应力及其他外应力具有较强的卸载效果,基本保证了应力和应变无法传递到镜面,保证镜面面形精度在装配前后均优于1/60λ(λ=632.8 nm),满足光学系统对反射镜支撑结构性能的要求。该球铰副的应用,可实现空间反射镜镀膜后的机械装调,因而可以进一步降低反射镜背部主支撑结构的重量,提高了反射镜组件的轻量化率。同时该球铰副的应用也降低了装配精度和机械加工精度要求,使得反射镜能够快速、高效的研制,降低了研制的成本,缩短了研制周期。(4)开展了1.5m口径空间SiC反射镜的设计和研制工作,最终获得的反射镜轻量化率82.9%,反射镜质量155.6kg,面形精度优于0.016λ(RMS值,λ=632.8 nm),多种环境因素最多对面形产生0.002λ的变化量。反射镜组件能够适应0.02mm的装配误差,反射镜组件(含主结构)一阶频率为101.3Hz。通过对该反射镜进行相关的测试和试验,各项指标性能满足空间望远镜的需求,验证了大口径空间反射镜设计及制造技术解决途径的有效性和可行性。本文取得了如下创新性成果:(1)提出人工干预下的反射镜轻量化结构自动参数化设计和优化方法,实现了参数化结构模型到有限元模型的自动化优化设计。人工干预的措施使得整个设计优化过程快速收敛,解决了病态解输出的问题,剔除了加工工艺性差的输出结果。参数化的设计优化方法极大的提高了反射镜结构设计的效率和准确性,为保证大口径空间反射镜的研究与验证效率奠定了技术基础。(2)提出了大容差的反射镜支撑结构技术方法。该技术方法使得反射镜对支撑结构的机械加工精度大幅降低,对反射镜与支撑结构的装配要求和装配设备需求也都大幅降低,工艺实现性提高,工艺保障要求降低。同时大容差的反射镜支撑结构对外界的应变和应力变化的敏感度降低,从技术指标和检测结果中可以看出采用该支撑结构技术方法的1.5mSiC反射镜研制工艺性好,面形精度稳定,对力热的适应能力强,符合设计预期,满足空间望远镜的任务需求。大容差的反射镜支撑结构技术方法使得大口径空间反射镜的制造具有较好的可行性。(3)极近似球铰副柔性支撑结构的研制结果与物理模型非常接近,实现了大容差的反射镜支撑技术方法,该结构使得空间反射镜面形精度对热应力、装配应力及其他外应力具有较强的卸载效果,该球铰副的应用,实现了空间反射镜镀膜后的机械装调,采用更高比刚度的碳纤维材料成为可能,因次可以进一步降低反射镜背部主支撑结构的重量,提高了反射镜组件的轻量化率。同时该球铰副的应用也降低了机械加工精度和装配精度要求,使得反射镜能够快速、高效的研制,降低了研制的成本,缩短了研制周期。(4)针对我国现有的技术水平和工业能力,系统的探索了大口径空间反射镜的设计和制造技术,完成了1.5m口径的空间反射镜自主研发。打破发达国家对该项技术的封锁,对于我国继续研制更大口径的空间望远镜具有借鉴意义,为未来开展可展开光学系统的子镜系统研究提供了先验经验,同时该项技术为我国的商业遥感提供了技术支撑,具有较高的商业价值。