随着空间技术的迅速发展,空间光学遥感器在对地观测、深空探测等领域发挥着越来越重要的作用,随着人们对其分辨率要求的不断提高,大口径、长焦距是未来空间光学遥感器必然的发展方向。大口径光学遥感器主次镜之间需要空间可展开伸展臂的支撑,以满足遥感器的展开以及高精度、高刚度、高空间稳定性的性能要求。未来空间大口径光学遥感器的主次镜之间的支撑距离会达到几十米,空间可展开伸展臂是一类包含关节铰链、张力索、杆件、定位锁定机构的复杂空间机构,如何保证伸展臂的高精度和空间稳定性,这其中还有很多难题有待突破。特别是面向空间光学应用的大型可展开伸展臂,如何综合考虑铰链、张力索、空间环境等因素,建立伸展臂的精度预测模型,对空间光学可展开机构的发展有着重要的意义。铰链作为空间可展开三棱柱伸展臂的重要组成部件之一,研究铰链的滞回特性对重复精度的影响。通过有限元法建立普通回转铰链的滞回模型,并通过实验验证模型的正确性。定义铰链的滞回损耗系数以表征滞回的大小,并采用响应面法建立普通回转铰链滞回损耗系数的数学代理模型。根据普通回转铰链的响应面,改进铰链设计以降低滞回损耗系数。通过对比两种类型铰链的响应面,改进型铰链的滞回损耗系数明显降低。通过普通铰链和改进型铰链的重复精度实验的对比,验证降低滞回损耗系数可以有效提高铰链的重复精度。三棱柱伸展臂的一个可展单元包含9个铰链和6根张力索,除了铰链的滞回非线性特性外,还需重点考虑张力索的影响。由于装配误差以及张力索接头处存在摩擦,伸展臂重复展开时,张力索的张紧力会随机变化。采用Monte Carlo法模拟三棱柱伸展臂张力索张紧力的随机分布,将张力索张紧力的随机变化量等效为外载荷。综合考虑伸展臂各几何参数建立伸展臂精确的刚度模型。基于Monte Carlo法模拟伸展臂的重复展开并获得多次展开的误差样本,通过展开误差分布获得伸展臂的重复精度。研究伸展臂的单元数量、索张力偏差、连杆壁厚、张力索半径等因素对伸展臂重复精度的影响。通过伸展臂重复精度的测量实验来验证所提出的分析方法的正确性。开展三棱柱伸展臂展开状态的热变形分析与基频特性分析。基于Fourier温度单元,建立包含空间管、索单元的三棱柱伸展臂热变形模型,并通过有限元软件验证所建模型的正确性。分析伸展臂的几何参数和材料参数对伸展臂热变形的影响规律,通过灵敏度分析确定影响伸展臂热变形的关键参数。基于几何非线性有限元理论,建立包含空间桁架及预应力绳索的三棱柱伸展臂的几何非线性动力学模型。通过编程计算伸展臂的基频,研究几何参数对伸展臂基频的影响,并通过灵敏度分析得到影响伸展臂基频的关键因素。设计出无需驱动套筒的空间大型可重复展收三棱柱伸展臂,以30 m大型可重复展收三棱柱伸展臂为例,完成伸展臂的方案设计和仿真验证。无需驱动筒的前提下,实现伸展臂的重复展收功能,完成伸展臂高精度、轻量化设计。通过对三棱柱伸展臂的几何参数分析和展收力学特性分析,建立30 m空间大型三棱柱伸展臂的多目标优化模型,并采用NSGA-II算法对三棱柱伸展臂进行多目标优化设计以满足设计指标。设计研制两单元的三棱柱伸展臂原理样机,开展伸展臂的重复展收实验及基频测量实验。综合考虑三棱柱伸展臂的铰链滞回特性、张力索的张力分布、空间热变形,建立伸展臂的精度预测模型。完成伸展臂原理样机一个单元及两个单元的重复精度实验,验证所建精度预测模型的准确性。通过原理样机的重复展收实验、基频测量、重复精度测量验证本文所作设计、分析的可行性和有效性,并进一步根据实验测量结果,分析和预测30m三棱柱伸展臂的基频和重复精度。