本文以空间站制品下行任务为背景,对货运飞船和制品返回舱的最优返回轨迹以及制品返回舱六自由度的运动特性进行了研究。全文主要研究成果如下:研究了航天器弹道式再入的运动特性。1)分别在极坐标系下和旋转坐标系下建立了航天器的运动方程,并对方程进行了无量纲化处理。2)分析了再入点的参数以及阻力系数对再入运动特性的影响。研究了基于两点边值法的返回轨迹优化方法。1)根据最优控制理论,分析了最优轨迹的充分必要条件,并把最优控制问题转化成两点边值问题。2)建立了最短时间过渡段和最省燃料返回轨道的最优控制模型。3)采用遗传算法和单纯形法相结合的策略求解两点边值法。4)把组合优化策略应用于航天器的返回轨道的优化,得出在了固定时间下满足落点的约束的燃料最省的返回轨道。5)分析了制品返回舱和货运飞船从空间站直接变轨返回地面的最优轨迹。研究了基于分段高斯伪谱法的返回轨迹优化方法。1)建立了分段高斯伪谱法的数学模型。2)考虑航天器再入的过程约束和终端约束,建立了最省燃料返回的优化理论模型。3)采用基于分段高斯伪谱法的分段串行优化策略求解最优轨迹。4)分析了利用货运飞船实现制品返回舱下行的最优轨迹。研究了制品返回舱再入大气层时六自由度的运动特性。1)建立了六自由度的运动方程,并介绍了相关参数计算的方法。2)针对两种构型的制品返回舱,分析不同质心位置和自旋与否对姿态的影响。论文对货运飞船和制品返回舱返回再入问题进行了专题研究,文中给出的理论模型、计算的方法、仿真结果及其结论可为作为制品返回任务的参考。