深空探测是我国航天发展的重要方向之一,快速、高效地完成从地球出发至其他天体的发射轨道优化是开展实际工程的重要基础。对火星以远的深空探测任务,当前基于化学能推进的运载火箭难以将大质量有效载荷送入直接转移轨道,因此天体引力辅助技术广为应用。本文主要对引力辅助序列设计方法和深空探测弹道-轨道联合优化方法进行了研究。基于平面二体引力辅助动力学模型,推导得到航天器引力辅助后在中心天体坐标系下的能量与速度变化公式,分析了轨道变化形式,以此为基础,提出航天器在引力辅助后与下一天体是否存在交会机会的判定准则,进一步基于区间分析思想,提出一种无附加机动引力辅助天体序列搜索算法,并自主编程实现。利用该算法,可以一次搜索得到满足出发能量和时间约束的所有引力辅助序列,以供轨道设计选择。考虑三维星历及附加脉冲机动后,本文以地球-木星转移为背景,利用粒子群优化算法和Pork-Chop图展现形式,对直接转移和多序列引力辅助转移进行了计算和比较分析,得到了不同天体引力辅助转移轨道的窗口周期特性。在搜索结果中,可以找出与伽利略号、朱诺号等任务实例相匹配印证的结果。相比传统优化算法收敛得到的单点信息,通过本文方法得到的结果能为工程任务设计提供更加全面和充足的参考。建立了考虑运载火箭射向和末级滑行时间约束的弹道-轨道拼接计算模型,在无偏航假设下,得到任意深空出发速度对应的运载火箭射向和末级滑行时间表达式。利用该模型,深入研究了弹轨道可以成功拼接的集合范围随深空出发速度、发射场地理位置、射向和滑行时间约束范围的变化规律。提出深空出发“赤纬-发射能量”(δ-C3)图方法,可以表示指定型号运载火箭深空发射能力可行域,并快速判断该型火箭是否适用于特定深空发射任务,有助提升弹轨道拼接的设计效率。考虑火箭偏航能力后,本文基于运载火箭弹道模型和程序,建立了任意深空出发条件下的无量纲运载能力计算模型,通过计算出发速度角,得到窗口内所有转移轨道对火箭发射进入停泊轨道的轨道倾角要求。利用这一方法,能够快速计算在允许火箭偏航情况下,任意深空发射速度是否可以得到满足,以及满足后的运载能力损失大小。最后,本文以地球出发至灶神星探测为例,给出了直接转移和多种引力辅助转移轨道设计方案,并进行了出发窗口与运载火箭能力匹配分析,为实际工程任务设计提供了参考。