随着我国深空探测领域的不断发展以及嫦娥计划的顺利实施,火星逐渐成为我国下一步深空探测的主要目标。而光学相机作为火星探测任务中最直观的探测设备,它的性能高低对于整个探测任务起着至关重要的作用。为了尽可能全面的获取火星表面的特征信息,对于相机的成像分辨率、口径等提出的要求越来越高,但传统的定焦距相机越来越难以满足探测任务的需要。得益于科学技术的发展,变焦相机的应用已经深入到人类生活应用的各个方面,虽然技术已经十分成熟,但相比较于地面环境,空间中的力学和热学环境更为复杂恶劣,特别是在发射、轨道运行和着落过程中产生的振动载荷和温度载荷,对相机整体结构性能会产生极大的影响。因此具有较大的设计难度,目前还处于小规模的实验应用阶段。本文首先研究了现今应用于火星探测任务中变焦相机的技术方案与指标,结合火星表面环境温度的特点,着眼于我国未来火星探测的任务需求,设计了一款可以实现25 mm~100 mm四倍变焦的火星探测可变焦距光学系统。其次,根据火星探测中对变焦相机光机系统高可靠性、高稳定性的技术要求,选择了合适的方法拟合出凸轮曲线,完成变焦凸轮、导向机构、以及传动机构等主要零部件的设计,提出基于永磁体的变焦相机光机系统限位装置。分析讨论了常用的光学仪器机械材料,选取钛合金(TC4)作为机械结构的主要材料,最终完成了该可变焦距光学系统的结构设计。由于火星表面存在恶劣的空间环境,为了使得该变焦距光学系统能够在火星表面正常工作,变焦相机需要较宽的温度适应范围。本文选取在火星表面-55℃~+55℃温度范围下,采用有限元法,对该变焦机构进行热弹性分析。研究表明:+55℃工况下变焦相机光机系统整体向前延长0.0835 mm,-55℃工况下向后收缩0.1947 mm,超出光学系统的接受范围,证明了设计调焦镜组的必要性。此外,两个极端温度工况下引起的直线导轨副间隙变化量很小,满足设计要求。最后,考虑到相机整体结构在发射中会经历恶劣的力学环境,为了保证该相机具有良好的力学特性,对相机整体结构的力学特性进行了仿真分析。惯性静力学仿真结果表明,变焦相机光机系统在承受XYZ三个方向各10 g加速度载荷的情况下,各部位的应力均小于该出材料的强度极限;模态分析结果表明,一阶固有频率为457.77 Hz,远远大于100 Hz的设计要求;随机振动分析结果表明,光机系统产生的最大应力为104.49 MPa,位于凸轮槽末端,远小于凸轮槽材料TC4的许用应力。分析结果证明变焦相机光机系统设计方案满足设计要求。