在人类地球低轨道载人航天相关技术日臻成熟,国际空间站及未来中国空间站等地球低轨道资源初步形成的背景下,载人月球探测自上世纪六十年代以来再一次成为各航天大国开展载人航天活动的热点。与“阿波罗”任务不同,现今提出的各类载人月球探测飞行模式更注重其可持续性以及对各类飞行器的可重复使用,更倾向于基于现有的成熟技术以及现有的地球低轨道空间资源来开展载人月球探测。在此背景下,本文提出了以地球低轨道空间站为空间港、以月球轨道空间站为空间港以及以地球低轨道空间站和月球轨道空间站为空间港的三类可重复使用载人月球探测飞行模式。本文正是围绕这三类飞行模式中存在的轨道问题,深入系统地开展了空间站轨道面约束下地月\月地转移轨道的建模与特征分析,对满足三类模式中货运补给需求的小推力地月转移进行了关键技术攻关。论文的主要工作如下:1、为地月空间运输系统的重复使用提供可行性依据。将地月空间划分为两部分:地球表面往返地球低轨道的穿越大气层部分,以及地球低轨道往返地月转移空间或月球空间的自由空间飞行部分;从速度增量需求的角度,对地月空间运输系统在自由空间的重复使用进行可行性分析。研究结果表明单级火箭载荷比介于4%～16%时,其可支持基于大气减速的地球低轨道往返月球低轨道,以及月面往返月球低轨道的飞行任务。2、开展以地球低轨道空间站为空间港的可重复使用载人月球探测转移轨道设计及特性分析。基于圆锥曲线拼接模型建立了地球低轨道空间站轨道面约束下的地月往返转移轨道设计模型;分析了地月往返转移轨道的轨道转移窗口、速度增量及转移时间特性;在月固坐标系下给出了空间站轨道面约束下的可达月球低轨道范围;利用高精度动力学模型对地月往返转移轨道进行了参数修正。3、开展以月球轨道空间站为空间港的可重复使用载人月球探测转移轨道设计及特性分析。在圆锥曲线拼接模型下,解析式地提出了快速求解月球轨道空间站轨道面约束下的地月往返转移轨道迭代设计算法;分析了迭代算法的收敛性及轨道转移窗口随月球轨道空间站轨道倾角、轨道高度的变化特征;完成了高精度动力学模型下的地月往返转移轨道设计。4、研究以地球低轨道空间站和月球轨道空间站为空间港的可重复使用载人月球探测转移轨道设计方法。在圆限制性三体模型下,提出了地月\月地直接转移可达集概念,并对可达集的对称性进行了分析;通过求解最小近月距地月直接转移轨道对地月直接转移可达集进行了数值分析。基于近月三脉冲数学模型,提出了全月覆盖的最小燃耗地月直接转移轨道设计模型,并在月固坐标系下给出了从同一轨道面出发到达任意月球低轨道所需的近月三脉冲速度增量分布图;构建了地球低轨道空间站往返月球轨道空间站的转移轨道设计算法,并对连续轨道转移窗口内的速度增量和转移时间进行了特征分析。5、研究可重复使用载人月球探测中地月货运补给的小推力地月转移轨道设计。围绕小推力地月转移的月球捕获关键问题,基于Jacobi积分和零速度面首先建立了月球捕获的充分条件,提出了包含推力方向、推进效率以及飞行控制序列的小推力地月转移制导律;然后,基于常微分方程解的参数连续性理论,提出并证明了月球捕获集定理,以保证飞船被月球捕获;最后,基于月球捕获集定理开展了不同推力大小、不同推力效率阈值下的小推力地月转移轨道设计。研究结果表明,本文提出的小推力地月转移制导律对导航误差和开关机误差具有一定的鲁棒性,设计结果在燃料消耗上同最优解相当。通过本文的研究,解决了以地月空间站为空间港载人月球探测飞行模式中的相关轨道问题,为可持续载人月球探测体系论证提供了理论与技术支撑。