随着我国航天事业的发展,远地空间探测甚至远地空间资源利用将逐步成为航天领域的研究热点,寻找一种高效的星际远航推进方式是完成任务的第一步也是关键的一步。近年来,一种新兴的无限大比冲推进方式——电动太阳风帆(简称电动帆)以其应用于深空探测的巨大潜力得到了国外相关科研机构及专家的重视,而国内在此方面的研究才刚刚起步。由于电动帆航天器能够利用太阳风动能冲力飞行而不消耗任何推进剂,所以非常适用于长期的深空探测任务和非开普勒轨道保持任务。本学位论文以电动帆航天器深空探测任务及非开普勒轨道保持任务为背景,针对其动力学、控制和轨迹优化问题开展研究,主要完成了以下几方面的工作:针对电动帆航天器姿态和轨道强耦合问题,以单根带电金属链推力模型为基础,对电动帆航天器姿态-轨道耦合动力学进行研究。首先,通过理论推导得出了电动帆推力矢量和力矩矢量与电动帆姿态、相对太阳距离和带电金属链电压分布之间的关系。然后在此推力模型基础上,分别对电动帆航天器的轨道动力学和姿态动力学进行了研究。由于电动帆的推力矢量由其姿态所决定,所以电动帆的姿态动力学与轨道动力学是耦合的,进而得出了电动帆航天器姿态轨道耦合动力学模型。针对电动帆航天器转移轨迹优化问题,提出了一种结合高斯伪谱法、遗传算法和序列二次规划算法的混合优化方法。这种混合优化方法通过遗传算法全局寻优获得高斯伪谱法中非线性规划问题的状态变量及控制变量初值,并采用序列二次规划算法在遗传算法获得初值的基础上进一步寻优。将上述混合优化方法应用于电动帆航天器轨迹优化问题中,并以火星探测任务、谷神星探测任务和太阳系边界探测任务为例进行了数学仿真。仿真结果表明,所提出的混合优化算法能够在无任何初值猜测的情况下完成电动帆航天器飞行轨迹的优化,这一特性非常适用于缺少先验知识的电动帆航天器轨迹优化问题。针对考虑参数摄动时的电动帆航天器姿态跟踪控制问题,开展了采用反馈线性化和滑模变结构的联合控制研究。反馈线性化通过状态反馈补偿将各通道强耦合且非线性的姿态控制问题转化成各通道独立的线性问题,并采用滑模变结构对各通道进行控制。联合控制仿真结果表明,虽然提出的反馈线性化和滑模变结构联合控制由于非匹配不确定性的存在不能实现渐进稳定,但是通过合理地设计滑模面和控制参数,仍可使系统的滑模运动具有较强的鲁棒性和所期望的动态性能。基于电动帆推力加速度较大且可调的特点,将其应用于日心悬浮轨道保持任务中,并对其稳定性和稳定控制开展了研究。对基于电动帆的日心悬浮轨道进行了设计,得出了保持日心悬浮轨道的必要条件。进而对所设计的电动帆航天器日心悬浮轨道进行了稳定性分析,结果表明:当电动帆惯量参数及悬浮轨道参数满足一定条件时,电动帆日心悬浮轨道才是平衡且临界稳定的。采用线性二次型最优控制对非稳定情况进行主动稳定控制研究,仿真结果表明,线性二次型最优控制适用于电动帆在日心悬浮轨道的稳定控制,且很小的力矩就能实现电动帆航天器姿态-轨道耦合系统的稳定。