载人探月序列任务的设计与仿真,可以解耦多个飞行任务,有效减小任务规模,提高任务成功率,对我国载人登月任务实施具有重要的意义。本文主要针对基于环月空间站的载人月球探测序列任务展开研究,研究成果如下:提出了伪春分点有限傅里叶级数轨迹成型法。利用逆动力学解析法,建立了改进春分点摄动方程的逆动力模型,由此提出伪春分点有限傅里叶级数设计方法,研究了面内多圈大偏心率转移以及深空转移的小推力轨道设计。针对三体条件下的转移问题,将伪春分点有限傅里叶级数与圆锥曲线拼接法结合,提出一种求解地月三体问题的小推力轨道形状设计方法,为后续进一步设计无时间约束的地月转移任务提供了一种可行手段。提出了有限推力自由返回轨道的高精度逆仿真设计方法。给出近月伪参数的定义,基于近月伪参数建立了混合多圆锥截线算法流程,该方法要比圆锥曲线拼接法具有更高的精度,且可以保证高精度轨道设计的快速收敛。利用高精度轨道的逆仿真求解策略设计自由返回轨道,并分析了由脉冲转为有限推力所引起的引力损失上限。从速度增量与转移时间、设计参数可行范围以及发射窗口三个方面分析了自由返回轨道特性,为开展载人登月任务的窗口设计分析提供理论依据。提出了有限推力定点返回轨道高精度逆仿真设计方法。根据单脉冲月地返回轨道的可达域分析,推导了返回轨道存在判据,给出了基于单脉冲定点返回轨道的多层快速迭代设计方法。在脉冲轨道基础上,结合离散逆仿真系统,给出高精度多段有限推力定点返回轨道设计方法,将考虑出发点可达域扩展的多脉冲转移序列转化为多段有限推力序列,获得每次机动的开机时间以及推力的方向信息。提出了载人探月序列任务多时间尺度的窗口迭代设计方法。梳理基于环月空间站探月任务的多种飞行模式以及轨道共性特点,解耦任务设计流程,提出了跨时间尺度的序列任务窗口迭代设计方法。瞄准基于月球轨道空间站的登月方案,设计灵活可靠的仿真系统框架,在仿真平台上实现无人绕月、载人环月、载人登月、月球轨道空间站部署等任务仿真。本文通过对载人探月序列任务有限推力轨道的逆动力学设计方法研究,分别设计了小推力转移轨道、自由返回轨道、定点返回轨道,并将上述方法与窗口迭代设计方法相结合实现对载人月球探测序列任务窗口的迭代设计,最终利用通用仿真系统开展序列任务仿真。研究所获得的方法和结论可作为我国载人月球探测方案深化论证的重要工具,为我国载人登月方案设计及任务规划提供参考,同时为载人航天发展战略决策提供支撑。