太阳帆航天器是一种从太阳光获得动力的新型航天器.由于太阳光压力很小,太阳帆航天器和其它小推力推进的航天器相似,不同的是推力方向受到限制,太阳光线与太阳帆法线的夹角太阳角在90°以内.该文主要研究了太阳帆航天器的姿态和轨道的动力学模型与控制方法.然后推导了用量子力学描述的太阳光压表达式,计算了作用在理想状态的太阳帆的太阳光压力,用单位面积载荷和特征加速度描述了太阳帆航天器的性能.计算了最优的太阳角的大小.最后用方形太阳帆作为研究对象,通过万向节改变载荷的位置,利用质心/压心偏置的方法实现太阳帆航天器的姿态控制.利用反馈控制原理,设计了以行星为中心轨道和以太阳为中心轨道的太阳帆航天器姿态控制方法.该文以水星取样返回任务为例,分析了太阳帆航天器的轨道控制方法.水星取样返回任务轨道分为三种类型:行星逃逸轨道、星际转移轨道和进入行星的制动轨道.在整个轨道把太阳帆法线作为控制变量实现对太阳帆航天器的轨道控制.在行星逃逸轨道段,采用速度反馈方式得出了一种有效的算法使轨道能量变化最大.在星际转移轨道和进入行星的制动轨道阶段,太阳帆航天器模型为具有目标约束和控制变量约束的最优化问题,利用最优控制理论,得到了时间最小的轨道控制方法.并通过仿真计算,给出了水星取样返回的太阳帆轨道、太阳帆法线和太阳光压加速度的仿真曲线.