确保航天员返回地球是载人登月飞行轨道设计的重要约束。当载人飞船加速奔月时,首先进入借助月球近旁转向无需变轨即可返回地球的轨道——自由返回轨道;在自由返回轨道的地月转移轨道段上,可利用小推力变轨成为着陆大范围月面的轨道——混合轨道;但是,当突发故障需要中止登月任务并快速返回地球时,载人飞船应变轨进入直接返回地球的轨道——中止轨道。本文在上述已有概念的基础上,进行轨道的特性分析和优化设计。主要研究工作如下:1)基于轨道特性分析,构建了地月转移轨道-自由返回轨道-混合轨道三层递进设计模式。考虑月球的非圆运动,对圆锥曲线拼接法进行改进,给出了自由返回轨道和混合轨道的拼接模型;分析了自由返回轨道和混合轨道的特性。以此为基础,提出了基于参数轮换优化的自由返回轨道设计方法,以及以自由返回轨道为基础的混合轨道设计方法,构成了载人登月轨道三层递进设计模式。2)针对各种轨道类型,建立了中止轨道的解析设计模型,并分析了载人登月中止轨道特性。针对载人登月不同轨道类型对中止轨道的不同需求,建立了载人登月近地、近月两段中止轨道的解析计算模型。分别给出了直接中止、双脉冲中止和自由返回轨道中止等近地段中止轨道的设计方法;并提出了具有一定普适性的近月空间中止轨道的设计方法。较为深入地分析了中止轨道在飞行时间、能量消耗等方面的特性。3)借鉴轨道拼接的思想,给出了以着月点为拼接点的载人登月发射窗口确定方法。根据载人登月任务轨道由地月转移飞行段和月地转移飞行段组成的特点,从着月点出发,利用递推方法建立了发射窗口确定算法,给出了考虑发射窗口约束的地月、月地转移轨道设计流程。其中,月地转移轨道设计还考虑了飞船返回舱在不同经度、纬度回收的约束,以满足飞船在陆上或海上回收的要求。4)以载人登月轨道和中止轨道一体化设计为指导,提出了参数群体优化的轨道设计方法。由不考虑中止约束,建立包括地月转移轨道、环月轨道、月地转移轨道在内的一体化设计模型;到考虑中止约束,建立自由返回轨道及其中止轨道、混合轨道及其中止轨道的一体化设计模型,提出了以快速设计结果为初值的载人登月摄动轨道设计方法。同时,针对载人登月及其中止轨道一体化设计参数多、对初值比较敏感等特点,采取参数群体优化的方法进行轨道设计。5)构建了载人登月中止规划的平行系统框架,并初步提出了中止轨道规划的计算实验算法。针对中止问题的复杂性和不确定性,构建了一种适用于载人登月任务中止规划的平行系统框架。考虑中止轨道初轨误差和机动误差等不确定因素,在误差传播特性分析的基础上,初步提出了具有在线规划功能的计算实验算法。6)通过对STK的二次开发,建立了载人登月轨道和中止轨道设计结果的仿真验证方法。通过剖析STK中轨道、轨迹设计与仿真验证原理,扩展了STK在基于圆锥曲线拼接法的轨道设计、月面点构建与分析等方面的功能,建立了利用STK对月球探测任务设计、分析和仿真验证的方法。该方法应用于本文载人登月轨道、中止轨道的设计结果及其相关特性分析结果的验证。轨道的特性分析和设计是载人登月任务顶层设计阶段的重要研究内容。本文的研究工作可为我国载人登月任务的规划、论证和预研等提供参考。