空间机械臂作为在轨期间完成空间站组装和维护、载荷照料以及支持航天员出舱活动的智能工具，其服役伴随整个空间站寿命的始末。作为我国空间站机械臂系统中的精细臂，本文研究的空间机械臂设计寿命长、内部功耗大、工作时间长，工作姿态复杂多变，都对其热设计提出了新的挑战。高度集成、模块化的关节内部功耗大，散热路径复杂；开放式的末端作用器漏热严重且不均匀，非工作模式下保温需较大的加热功耗；手眼相机照明组件散热困难；分析工况难以确定及地面试验周期长，如何利用成熟的热设计方法，解决空间机械臂的热设计难题，满足其在轨温度要求等内容，是本文的主要研究内容。论文概述了国内外空间机械臂的研究现状，总结了空间机械臂的工作特点及热设计特点，介绍了国外典型机械臂组件的热设计方案。在此基础上，对本文的研究对象我国空间机械臂精细臂的结构、工作模式进行分析，总结了其热设计所面临的重点、难点问题。空间机械臂的运行轨道为低地球轨道，原子氧、粒子辐射、热循环和空间碎片等是造成该环境下热控材料性能退化的主要因素。结合哈勃望远镜的维修任务及国际空间站加拿大臂Canadarm2等相关飞行试验，介绍了低地球轨道的原子氧效应，阐述了多层隔热组件面膜在轨性能退化以及长寿命多层面膜的设计与选取。对空间机械臂的关节、末端作用器和手眼相机进行了详细的热设计，结合机械臂的姿态和工作特点，确定了高、低温工况。对典型工况进行了分析计算，确定了各散热面尺寸及补偿加热功耗大小，低温工况时关节温度为-22℃~+23℃，末端作用器温度为-22℃~+30℃，手眼相机温度为-6℃~+3℃，满足存储温度要求。关节内部组件功耗大、散热困难，高温工况时内部组件温度过高，对影响散热的主要参数进行热设计参数的灵敏度分析。结果表明，内热源是影响其内部温度分布的主要参数，其灵敏度变化范围为2℃~5℃。考虑极端工况出现的概率较小，优化设计后的关节温度满足设计要求。关节、末端作用器的单机热真空试验证明了热控指标的合理性。空间机械臂结构复杂、体积大，试验周期长，试验费用昂贵，为实现对其热平衡试验平衡温度的预测，基于节点网络法建立了热平衡温度预测的迭代方程式，结合大量试验数据，对影响迭代结果的3个因素进行统计分析并确定了各因素的合理取值范围。