空间相机作为遥感卫星的核心载荷,其质量轻、体积小、性能优的设计并研究是实现中小型卫星高度集成化、低成本、高性价比的关键。离轴三反空间相机由于具有高轻量化、紧凑结构、长焦距、大视场以及无遮拦等优点,近年来被各国空间光学遥感卫星广泛使用。在保证空间相机反射镜优异的静、动力学特性的前提下,还要使其组件质量最轻,这两者矛盾的权衡使得反射镜组件的结构设计难度加大。本文针对某中等口径离轴三反相机项目,对其反射镜组件进行超轻量化设计。首先介绍球面拟合、齐次坐标变换以及Zernike多项式拟合等多种镜面面形拟合方法,研究归纳Zernike项数、离散点数目对拟合精度的影响,提出基于SVD算法求解以消除拟合过程中方程组出现严重病态的情况。分析表明相较于离散点数目,Zernike多项式的项数对拟合精度的影响更大;对球面反射镜进行拟合时,采用28项Zernike多项式就能保证光学系统的精度要求。由主镜的外形尺寸确定采用背部单点支撑的形式,利用拓扑优化和多参数尺寸优化结合的方法对主镜镜体进行超轻量化设计,得到性能最优、质量最轻的主镜结构;针对单点支撑刚度不足的问题,设计了适用于主镜的支撑结构,分析讨论了螺钉连接环直径对反射镜面形及动力学特性的影响。通过与传统经验所设计反射镜对比,本文设计的主镜轻量化率提高了14%,性能指标也优于传统反射镜;最后分析校核了主镜组件在受到外界动力学激励下的响应。三镜采用背部三点支撑的形式,结合支撑形式对支撑孔的尺寸进行优化分析。类比主镜镜体结构的优化方法,对三镜镜体进行了超轻量优化设计。其次对三镜的背部支撑结构进行了设计,针对刚性支撑结构无法兼顾三镜在热力学工况下面形的情况,在刚性支撑结构的基础上,分别针对柔节的形式以及具体参数进行优化分析。最后对所设计的三镜组件进行性能校核。结合主镜和三镜的外形尺寸以及指标要求设计出后背板的初始结构,采用拓扑优化方法对后背板进行轻量化设计,最终后背板的质量仅为12.81kg,轻量化率达81%。主三镜组件的总质量仅为23.01kg,其中主镜组件5.39kg,三镜组件4.81kg。为验证本文所设计主三镜组件的性能特性,对其进行静力学和动力学校核:主镜和三镜在重力工况和4℃温升工况耦合下的镜面面形分别为6.96nm和11.1nm,满足所提设计要求;组件的一阶固有频率达189Hz,过载和随机振动下的响应和应力也都满足强度要求。