针对航天运载系统“快速、机动、可靠、低成本”的需求,可重复使用运载器(RLV,Reusable Launch Vehicle)已成为目前世界各航天大国正在部署研制的可天地往返、可重复使用的新型空天飞行器。它具备可迅速部署、重构、扩充和在轨服务的能力,具备安全、可靠进出空间的能力,具备大幅降低航天运输成本的能力。但由于RLV大空域、跨速域的再入飞行特点,其速度、高度及姿态变化剧烈,飞行器模型呈现出强烈的非线性及耦合特性,加之受到严重外界干扰和模型参数不确定的影响,使得RLV轨迹优化及控制系统的设计成为当前航空航天领域研究的世界难题。本文针对上述难点问题,以实现RLV安全稳定再入返回任务为目的,重点开展RLV再入轨迹优化及姿态控制问题的研究。首先,针对RLV末端能量管理段轨迹具有复杂的约束条件和路径特点而难以求解的难题,本文将自适应高斯伪谱法与区间分析法相结合,首次应用于RLV末端能量管理段,解决了复杂三维轨迹的快速优化求解问题。该策略通过在导向圆柱上设置航路点,将末端能量管理段轨迹设计转化为一个复杂的多段轨迹优化问题,同时提出相应的分段轨迹连续条件,以确保相邻两段轨迹的连续性。将自适应高斯伪谱法与区间分析法相结合,求解出复杂三维最优轨迹。其中,高斯伪谱法结合自适应技术提高了轨迹优化的精度,区间分析法的应用有效地提高了轨迹优化的速度。数值仿真验证了本文所设计轨迹的可行性。其次,考虑RLV再入过程受到严重加性外界干扰和模型不确定的影响,提出了干扰观测器—姿态控制器综合设计策略,用于解决大干扰、强不确定下的RLV再入姿态鲁棒精确跟踪控制问题。文中首先研究了基于单变量和多变量超螺旋滑模的干扰观测器设计方法。然后,基于多时间尺度原理,将RLV再入姿态模型分为典型的内-外双环子系统,在对各子系统设计有限时间干扰观测器的基础上,又分别提出了基于光滑二阶滑模和多变量超螺旋滑模的姿态控制器设计方法,完成了两种有限时间RLV干扰观测器—控制器综合设计策略,实现了RLV再入姿态的有限时间精确跟踪,同时有效地消除了控制抖振。通过对X-33进行仿真,验证了提出控制策略具有良好的跟踪性能。再次,考虑RLV再入过程受到乘性力矩扰动影响且模型中所有不确定及扰动的上界均未知的情况,基于内-外双环控制结构,本文分别提出了两种新型的增益自适应多变量超螺旋滑模控制方法,并进行了有效地结合,应用于复杂环境影响下的RLV鲁棒自适应控制问题中。文中提出的有限时间多变量滑模控制策略,通过结合增益自适应技术,有效地解决了因不确定上界的过估计而引起控制增益过大的问题,有效地减弱了控制抖振现象,同时保证了RLV再入姿态的有限时间精确跟踪。文中给出了该控制策略下RLV闭环控制系统的有限时间稳定性证明,通过仿真验证了所提出的鲁棒自适应控制策略在有效克服乘性力矩扰动的同时,能更好的实现对RLV制导指令跟踪的快速性和鲁棒性。最后,针对RLV出现执行器效率损失故障的问题,提出了一种基于自适应观测器的有限时间容错控制器综合设计策略,有效解决了执行器故障未知情形下的RLV有限时间姿态精确跟踪控制问题。文中首先对RLV执行器故障情况下的二阶姿态动力学系统进行了面向控制建模,设计了一种新型的有限时间自适应多变量观测器,用于估计RLV模型中的故障及干扰不确定。在此基础上,将终端滑模和超螺旋滑模进行有效结合,提出了一种有限时间二阶滑模控制器设计方法,并与自适应观测器进行综合,实现了RLV有限时间姿态容错跟踪控制。此外,针对RLV状态导数不可测的问题,本文通过设计高阶微分器进行了有效解决。基于X-33的仿真验证了提出的有限时间综合容错控制策略在不同故障模式下的有效性和鲁棒性。