随着科学技术的不断发展以及对地观测要求的不断提高，高分辨率、宽覆盖成像逐渐成为空间相机的一项重要发展趋势。本文对某超宽覆盖空间相机的结构进行了优化设计，其地面覆盖宽度超过500km，结构外形尺寸长宽比接近1:1.2。根据上述结构特点，为减轻重量，增强结构稳定性，相机的反射镜和框架结构在材料和结构形式上都必须做出相应调整。另外，空间相机从研制、装配、运输、发射到在轨运行等各个阶段，会经历各种外界载荷和环境因素的考验，而相机结构在上述情况下的稳定性对成像质量有较大影响，这都对相机结构设计提出了更严格的要求。基于此，本文根据某超宽覆盖空间相机的项目需求和结构特点，对相机内大口径反射镜和框架结构的设计及优化进行了深入研究。第一，介绍了空间相机在各个阶段所经历的力学环境，提出了载荷特征和结构响应的评价方法。从理论上推导了接触刚度的计算公式，分析了其主要影响因素，针对螺栓连接结构提出了一种新的有限元建模方法，综合考虑接触及螺栓预紧力对结构刚度矩阵的影响，提高了的动力学分析的精度及效率。第二，结合项目研制需求介绍了空间相机反射镜结构的设计依据。根据各材料性能及工艺性对比，完成了反射镜镜体和支撑结构材料的选择。综合考虑反射镜支撑理论及项目要求，设计出一种新的柔性支撑结构，并完成镜体轻量化优化，对反射镜组件进行了相应的有限元分析。结果表明，一阶频率较高，并具有较高的比刚度和温度适应性，满足成像质量要求。第三，提出整体式框架结构和桁架式框架结构两套设计方案。基于桁架式框架设计方案，根据能量守恒原理，采用基于Rayleigh算法的单位力法，研究了桁架杆间夹角对框架频率的影响，并以此为基础完成对桁架式框架结构的优化设计。基于整体式框架设计方案，选用了具有高比刚度和热稳定性的高体份SiC/Al复合材料，在框架具体结构形式未知的前提下，依据变密度法建立SIMP材料插值模型，通过设定相应的约束条件和目标函数，完成整体式框架结构的优化设计。根据有限元分析结果，对比桁架式框架及整体式框架各自的优缺点，并结合项目适应性的要求，最终选定了整体式框架的设计方案。第四，对空间相机整机结构进行了有限元分析，并采用光机综合分析法，研究了各种环境因素对相机成像质量的影响。对空间相机进行了环境试验，结果表明空间相机的力学特性和热稳定性较好，各部分的动力学响应均在合理的范围内。有限元分析结果与试验值误差较小，证明了通过有限元分析指导和验证结构设计这一方法的合理性。最终完成了空间相机高刚度、轻量化的结构设计目标。