临近空间望远镜观测在军事战略和科学观测领域具有广阔的应用前景,其主光机系统的力热稳定性影响着望远镜的成像质量,是关键环节。临近空间望远镜在飞行、观测过程中,主光机系统会受到重力、温度、加速度、冲击等一系列严苛的力学环境影响,研究高力热稳定性的主光机系统对成像质量具有十分重要的意义。为了实现临近空间环境下主光机系统的力热稳定性,本文针对球载望远镜主光机系统主镜组件的轻量化、解耦性,次镜的快速优化等问题,从指标分配、优化设计、自动化链路仿真分析、试验验证等多个方面对主光机系统进行研究,实现我国临近空间行星科学观测的首次尝试。本文的主要研究内容如下:首先,调研国内外成功的球载望远镜载荷,为我国研制此类载荷提供参考、加深理解。结合光学设计的加工与装配公差完成主光机系统各子组件的指标分配,为后续各组件的优化设计提供依据。其次,主镜结合拓扑优化和折衷规划理论进行优化设计,以四种观测角度下的加权柔度为目标来对初始主镜结构进行拓扑优化,为轻量化筋的分组提供依据,对轻量化筋采用两种不同的分组,由于变量较多,对其进行试验设计,参数化设计基于折衷规划法,将矛盾的多目标转化成单目标,经过参数化后,816mm Si C反射镜的质量仅为28.5kg,相比于初始结构下降了15.7%,轻量化率达到79.5%。通过建立面形变化与支撑位置受力,将复合支撑设计拆分开,结合各部分指标分配和解耦性对支撑结构进行优化设计,主镜组件在面形精度、稳定性、力学、解耦性方面均表现良好。再次,采用基于网格变形的次镜组件快速优化设计,将网格变形通过Tcl语言编写入Hypermesh的输入脚本中来改变柔性槽的尺寸以及轴向安装位置,相比于参数化链路而言,可以省去参数化建模和重新划分网格的过程,基于网格变形的快速优化方法可以将单次的优化时间从10min降低至40s,能够有效的提高效率,次镜组件优化结果均符合指标要求,设计周期被有效缩短。然后,在实现主镜组件、次镜组件的优化设计后,通过对比分析主支撑结构选用桁架式结构,在质量、径向位移和一阶频率方面均有一定优势。桁架采用成熟的Serrurier桁架结构,通过优化桁架杆热膨胀系数为-2×10-6/°C。经过仿真分析,带主次镜的桁架结构在力热稳定性方面满足设计指标要求。最后,针对主镜组件详细描述其从加工、制造、装配等一系列的流程,进行了主镜组件、次镜组件的面形误差和力学试验,面形误差均优于/50,力学试验结果与仿真分析误差在2%以内。桁架结构也完成了其相应的力学试验和稳定性试验,其力学试验与仿真的误差也在3%以内,稳定性满足10″指标要求。对主光机系统进行了静力学和动力学仿真分析,其性能满足观测需求。对望远镜系统进行整机试验,其在五个视场下的平均波像差为0.06974,优于/14。望远镜进行外场的吊装、观测,验证望远镜性能良好。论文相关成果对临近空间望远镜提供了一定的借鉴意义。