火星探测是近年来深空探测领域的热点研究领域之一。地球-火星转移轨道的设计与优化是顺利实施火星探测任务的关键技术之一。以化学推进系统为代表的脉冲转移技术成熟、操作简单且得到多次飞行验证，至今仍是航天任务的首选转移方式；以电推进系统为代表的小推力转移由于比冲高、质量轻可大幅度提高航天器的有效载荷比，因而近年来得到航天界的广泛关注。文中以火星探测为潜在的研究背景，围绕脉冲转移和小推力转移展开了详细地专题研究，具体研究内容如下：首先，基于二体模型，求解Lambert问题，绘制改进的地球-火星脉冲直接转移轨道的能量等高线图；根据能量等高线图确定航天器的发射窗口，并选择一对最优的“发射时间——到达时间”序列对，使得航天器所需的发射能量最小，完成地球-火星脉冲直接转移轨道的设计。同时，基于圆锥拼接法和借力飞行理论完成了基于金星借力的地球-火星脉冲转移轨道设计。数值仿真结果表明，同传统的方法比较，本文提出的方法更适合进行大时间跨度的脉冲转移轨道设计。其次，基于指数正弦曲线成形法，改进Izzo给出的关于初始飞行角的数值解法，并结合遗传算法完成了射出和射入速度不为零的地球-火星小推力转移轨道初始设计。接着，基于逆6次多项式法并结合遗传算法完成了射出和射入速度为零的地球-火星小推力交会轨道的初始设计。仿真结果表明，这两种成形法均能够很好的逼近小推力作用下航天器的真实飞行轨迹，是一类存有解析解的高效的小推力轨道初始设计方法。最后，分别采三种伪光谱算法，将地球-火星小推力转移轨道的优化问题离散成非线性规划问题。以地球-火星小推力转移轨道初始设计的结果作为寻优变量的初值，利用序列二次规划算法（SQP）求得地球-火星小推力转移轨道优化问题的最优解，并对这三种伪光谱算法的计算结果进行了对比分析。数值仿真结果表明，伪光谱算法的收敛域广、计算结果精度高。