随着航天事业的发展,航天任务的类型与目的愈加丰富,航天活动的范围日益阔大。按照航天器与地球的距离,大致可将其分为地球附近的航天活动、地月空间的探测以及行星际的深空探测等几个方面,本文从这三个方面中各选取了一个重要的问题进行研究:1.本文研究了地球附近空间电推进系统多圈轨道转移问题,提出了一种改进的半分析方法来求解与优化电推进轨道转移,降低转移轨道所需的时间与燃料消耗。本文采用春分点根数作为航天器的状态向量,以避免开普勒根数的非本质奇点问题。设计控制策略,结合角动量向量和偏心率向量的偏微分方程组求解当前状态向量下的近似最优推力方向。引入不同轨道根数之间的权重系数,并使用强化学习优化算法给出时变的权重系数,以动态调整不同轨道根数的变化速率,最终得到近似时间最优的电推进转移轨道。本文还改进了相对效率因子的设计,以此在缩短转移时间与降低燃料消耗之间进行权衡,得到固定时间内的近似燃料最优转移轨道。不同初始轨道与目标轨道之间进行转移的数值模拟,以及与前人研究工作的结果对比,证实了这种改进的半分析方法的有效性。2.由于月球非球形引力摄动对月球环绕探测器的影响较大,超低环绕轨道上的探测器的生存时间较短。本文提出了一种轨道维持的策略,利用电推进系统来避免探测器与月球表面发生碰撞,并将探测器的轨道维持在一个合适的范围内,实现了月球超低环绕轨道探测器生存时间的拓展。文中研究了不同初始条件对于探测器生存时间及拓展情况的影响,包括探测器初始轨道的倾角、升交点经度、电推进系统的推力大小与携带燃料比例等。从数值模拟的结果来看,本文提出的策略是行之有效的。在选择合适推力大小的情况下,10%的燃料可以将低轨道倾角探测器的生存时间从数天延长至超过一百天,中高倾角轨道探测器的生存时间可以从数十天延长至超过两百天甚至一年以上。3.引力辅助以其可靠性和和实用性被广泛地应用于深空探测中。目前关于引力辅助问题的研究主要集中于近乎共面的情况。本文通过航天器引力辅助前后各个参量之间的几何关系建立起一种适用于三维空间的分析方法。这些参量包括航天器相对于飞越天体的双曲线剩余速度V in∞、航天器的飞越高度H以及飞越平面与接近平面之间的二面角θ等。方法中的方程可以用于分析引力辅助过程中各种轨道根数的变化情况,讨论不同参量对引力辅助效果的影响以及推导保持轨道根数不变的条件。通过分析也可以得出航天器轨道半长径的变化范围,利用曲线拟合的方式得出轨道倾角变化的边界。本方法还可以用于进行引力辅助深空机动的设计,通过深空机动来微调引力辅助过程中的参量,实现引力辅助的效果最大化。本论文所研究的电推进系统的轨道转移与优化,超低环月轨道生存时间的拓展与引力辅助问题都是航天领域中非常重要的问题,在航天任务中具有重要的理论意义与实际应用价值。