随着科技技术的不断发展，航天技术也在近几十年取得了飞速的进步。进入本世纪以来，世界各国对于宇宙深空的探测的热情空前高涨。美国、俄罗斯、欧洲航空航天局、日本、印度等世界航天大国都纷纷展开了自己的深空探测计划，尤其是对离我们生存的地球最近的自然天体月球的探测活动兴趣最浓。我国也于本世纪展开了我国自己的探月工程“嫦娥”工程，本文正是在此背景下，对于探月飞行器在返回地球过程中再入地球大气层的轨道进行分析和设计。本文在前人工作的基础上，充分分析了探月飞行器返回地球和再入地球大气层的飞行过程的主要特点，对飞行器进行了动力学分析，使得本文所用的动力学模型能够准确描述探月飞行器返回舱在再入地球大气层过程中的力学状态，使得动力学模型更为准确。对于大气层内飞行的飞行器，空气动力是影响飞行器飞行状态和最终任务能否完成的关键因素。本文在对再入过程轨道特征分析的基础上，提出对大气模型进行分段处理，即在高轨道大气模型采用分子动力学统计模型用MSDC方法对空气动力进行计算，低轨道采用传统的连续介质模型的N-S方程进行气动力计算，从而保证了在全轨道飞行过程中气动力计算的各阶段的准确性。在完成对探月飞行器再入地球大气层动力学分析和空气动力准确计算方法研究的基础上，本文对几种基本的再入方式进行了仿真分析，通过对比选择出一次跳跃再入的方式设计探月飞行器的再入轨道。设计合理的仿真流程，保证了轨道设计程序的合理性，通过Matlab编程，最终形成了探月飞行器再入地球大气层轨道的设计软件，并对此软件的设计结果进行验证，证明了程序设计的合理性与正确性。