太阳帆航天器是众多学者与太空机构的研究热点之一,而太阳帆姿态控制又是保证太阳帆航天器能够按照预定轨道飞行的关键。本文对太阳帆航天器的方案、姿态动力学和姿态控制特性进行比较系统地研究,主要工作在以下三个方面展开。首先,给出太阳光压模型和太阳帆性能描述方式,分别对带有控制杆的太阳帆航天器、带有控制叶片的太阳帆航天器进行了方案设计,并对每种太阳帆航天器的姿态控制原理进行了分析,依据物理模型求取各种太阳帆的惯性张量表达式。其次,考虑控制杆和反作用飞轮的控制力矩、太阳帆太阳光压力和太阳引力,利用拉格朗日方程建立了带有控制杆和反作用飞轮的太阳帆航天器多刚体姿态动力学模型;考虑控制叶片太阳光压力矩和太阳引力梯度力矩,利用欧拉方程建立了带有四个控制叶片的太阳帆航天器的姿态动力学模型。在建立这两种太阳帆航天器姿态动力学模型的基础上,对两类太阳帆航天器的姿态能控性和稳定性进行了分析,设计了姿态控制器用于三轴姿态控制,通过数学仿真对太阳帆航天器控制响应特性进行研究,仿真结果表明质心/压心偏移的姿态控制方法可以用于行星际飞行。最后,对于自旋稳定太阳帆航天器,给出了质心/压心偏移产生的太阳帆光压干扰力矩作用下的姿态动力学模型,并通过仿真分析了控制精度与太阳帆航天器自旋速度之间的关系。对于带有固定叶片的太阳帆航天器,给出了固定叶片太阳辐射稳定力矩和质心/压心偏移产生的太阳帆光压干扰力矩共同影响下的姿态动力学模型,仿真表明,利用固定叶片可以实现太阳帆航天器的稳定控制。