随着人类航天技术的不断进步以及太空探索的不断深入,载人火星探测成为近年来航天领域中的研究热点。载人火星探测任务由于存在着巨大的复杂性与危险性,对现有航天技术提出了严峻的挑战,例如如何减少携带的推进剂质量从而提高有效载荷,以及如何快速将航天员送往火星并在出现故障时安全返回地球。因此新的技术对于任务的成功实施至关重要,而气动辅助技术由于其可能带来的巨大收益就是其中的一种。本文以载人火星探测任务为背景,针对捕获制动技术和转移轨道设计,对两项关键的气动辅助技术——气动捕获技术以及气动引力辅助技术进行了研究。气动捕获技术研究部分首先对气动捕获技术的基本概念以及相对传统制动方式的优势进行了介绍,并分析了捕获过程中存在的多种约束条件。然后对解析预测校正算法和终端点控制算法这两种制导算法进行了推导。最后针对载人火星探测任务,对气动捕获过程进行了仿真模拟。仿真结果表明,气动捕获技术在多种条件下均可以显著提高任务有效载荷,且解析预测算法和终端点控制算法在多种误差影响下,均可以准确、可靠地实现捕获入轨,并良好地满足热流密度、总加热量以及加速度过载等约束条件。气动引力辅助技术研究部分对气动引力辅助技术在自由返回轨道中的应用进行了研究。首先对自由返回轨道相关概念进行了介绍,并由引力辅助技术存在的不足,提出将气动引力辅助技术应用于自由返回轨道的设计中。然后对轨道设计中应用的模型进行介绍,并提出一种三段式大气飞行模型,将大气飞行段分为下降段、平飞段和上升段,使用大气飞行角和航迹角描述飞行过程,并建立了相应的计算模型。最后以火星自由返回轨道为例,分别对“地球-火星-地球(E-M-E)”,“地球-火星-金星-地球(E-M-V-E)”和“地球-金星-火星-地球(E-V-M-E)”三种序列进行了计算分析,并比较了气动引力辅助对自由返回轨道的飞行时间、燃料消耗以及V∞速度等性能的影响。计算结果表明,三段式模型可以准确描述气动引力辅助过程,同时气动引力辅助技术可以显著提升自由返回轨道性能,如降低出航和返航时间,降低燃料消耗等。本文的研究结果表明,气动捕获技术以及气动引力辅助技术这类气动辅助技术相对现有技术有着巨大的优势,对于未来的载人火星探测任务有着重大意义。