载人深空探测是近年来航天领域的热点研究方向。火星是太阳系中性质与地球最相似的行星,是未来载人探索的一个极具吸引力和挑战性的目标。本文以载人火星任务为研究对象,从星际转移轨道设计、任务综合发射窗口规划、中止任务轨道设计、总体方案选择和评估等几个方面进行了专题研究,具体研究工作如下:设计了几种不同类型的地球火星往返转移轨道,并从燃料消耗和任务约束角度展开了分析研究。运用Lambert交会算法,研究了一个火星大冲周期(15年)内不同出发/到达时刻对应的地-火两脉冲往返转移所需的变轨速度增量分布,并通过改进的Pork-chop图给出了直观表述,在此基础上,给出了能量最优的长期停留合点轨道和短期停留轨道。结合大推力变轨和小推力变轨的特点,提出了混合推力轨道方案,采用遗传算法和序列二次规划相结合的方法设计了节约燃料、任务灵活的混合推力轨道。研究了适用于长期多次往返任务的地球-火星Aldrin循环轨道,探讨了同时考虑地球和火星引力辅助变轨情况下的循环轨道方案。研究了地火转移末段的气动辅助捕获问题,给出了任务约束条件,求解了进入走廊,并分析了相关参数对轨道的影响。研究了载人火星任务综合窗口。通过有效的简化模型,分析了地火转移发射时机的分布特点;在简化模型基础上,采用圆锥曲线拼接模型和高精度模型逐步求解了满足停泊轨道高度和倾角约束的高精度转移轨道,得到高精度的地球-火星转移发射窗口。由于大规模载人火星飞船各舱段需要在近地轨道多次组装,建立了交会对接发射窗口约束条件的数学模型,求解了相应的近地轨道发射窗口。将地火转移发射窗口和近地轨道组装发射窗口结合考虑,得到火星飞行任务综合发射窗口。设计了载人火星探测故障后中止任务返回的轨道。研究分两方面,一是研究了地球-火星-地球、地球-火星-金星-地球地球-金星-火星-地球三类自由返回轨道的特点,从飞行时间和能量需求方面分析了每种轨道方案的可行性;二是以两脉冲合点往返轨道为基准,分析了载人任务全程不同阶段中止任务应急返回的变轨策略。结果表明:无论是自由返回轨道,还是应急返回轨道,都不存在能量需求、飞行时间都十分理想的中止方案;载人火星探索任务全程中,可以应急返回的时段非常有限,且各种返回模式均需要较长的返航飞行时间和较大的燃料消耗。研究了载人火星任务总体方案评价与选择问题。建立了一套基于选择分支树图表的方案遴选方法,从轨道方案、飞行体系、推进系统、乘员人数等多个方面对一系列载人火星任务总体方案特征集进行定性评价,通过比较分析遴选出若干备选方案。分别采用了基于近地轨道出发质量(IMLEO)与技术成熟度(TRL)的模型和基于多准则决策的模型对备选方案进行定量评价。两模型评估结果均表明,基于近地轨道组装的短期停留化学推进整体式方案是理想的载人火星任务方案。在登火星任务方案研究基础上,本文进一步对比分析了载人登月、登近地小行星和登火星三类任务的共同点和差异,进而讨论了这三类载人深空探测任务的继承性问题。