随着航天技术的飞速发展，深空探测已成为各国关注的高科技战略制高点。基于非开普勒轨道的小推力、低能转移是宇航动力学研究的热点和前沿，开展快速、精确、省燃料的轨道设计理论和方法研究具有重要的理论研究意义。　　本文以小推力、低能转移轨道设计为背景，分析了限制性三体问题动力学不变流形特性；提出了不变流形快速数值近似计算方法并基于该方法计算可达域，为低能转移轨道优化设计快速提供初始猜测值，实现了地-月小推力、低能转移轨道优化设计；采用基于形状的方法实现了从地球停泊轨道到稳定不变流形之间的低能转移轨道设计。　　论文的主要研究工作如下：　　(1)对限制性三体问题的动力学系统及其特有的能量曲面、零速度曲面及Hill区域、平衡点等性质及其计算方法进行了研究；结合平衡点及周期轨道，分析了不变流形结构及特性，给出了一般的平面不变流形和空间不变流形的计算方法，为本文不变流形快速数值计算和低能转移轨道设计奠定理论基础。　　(2)结合不变流形在未来深空探测轨道设计中的应用需求，分析了一般的不变流形计算方法在低能转移轨道优化设计中的不足和缺点，以及不变流形快速计算在深空低能转移轨道设计中的重要性；对不变流形结构进行了剖析并构建了不变流形网格；基于二维插值理论，提出了二维不变流形三次近似样条插值计算方法和不变流形微分修正方法；最后通过进行大量的不变流形仿真计算，结果显示该方法计算速度为积分方法的110倍以上，验证了本方法计算精度的有效性以及快速性。　　(3)基于轨道优化设计过程中的最优控制理论，分析了传统的基于庞加莱截面法在深空低能转移轨道快速、在线优化设计方面的缺点；提出了不变流形快速数值近似计算方法，并实现了同宿轨道和异宿轨道连接快速求解；结合可达域并基于不变流形快速数值近似计算，为低能转移轨道优化快速提供初值，采用直接优化方法实现了地-月限制性三体问题系统小推力、低能轨道转移优化设计；通过仿真验证了该轨道设计方法在深空小推力、低能轨道优化设计中的有效性及快速性，为深空任务航天器在轨、快速轨道设计提供了新的设计思路及途径。　　(4)研究了基于形状方法与可达域相结合的地-月限制性三体问题系统低能、小推力轨道转移设计问题；推导了修正指数正弦曲线在限制性三体问题系统动力学中的基本方程，分析其在低能转移轨道设计应用中的有效性，同时分析了优化过程中有效初始值对优化结果计算效率的重要性；提出了首先结合不变流形快速数值近似计算进行可达域计算，并提出了基于形状方法提供有效初始约束条件的地-月低能、小推力转移轨道设计方法。最后以燃料最省为优化指标，采用微分进化算法对形状参数进行优化搜索，实现从地球高轨道到稳定不变流形的小推力、低能转移轨道设计。这些研究初步揭示了基于形状方法的轨道设计思路不仅在二体问题系统中能够得以很好的应用，同时可以拓展到限制性三体问题系统的低能、小推力轨道转移设计应用中，为解决未来的深空探测航天器低能轨道转移提供了新的设计思路和方法。