深空探测已成为世界航天活动的重要发展方向。火星是地球轨道外侧最靠近地球的行星，也是开展行星探测的首选目标。随着航天技术的发展，我国在完成月球探测后即将展开对于行星和小行星的深空探测任务。文本主要研究了火星探测直接转移任务的轨道设计及优化，为我国即将展开的火星探测提供参考。首先，直接转移轨道设计包括通过求解日心段转移问题确定发射窗口,基于圆锥曲线拼接法对地心段轨道参数和火心段轨道参数进行初步确定。然后，在精确动力学模型和相关的约束条件下，通过微分修正的方法对初始轨道参数进行了修正,得到由地球逃逸双曲线近地点到火星进入双曲线近火点的直接转移标称轨道。其次，在日心段轨道中途修正轨道设计中，考虑到误差传递的特性、到达火星的进入误差条件以及与火星隔离距离的要求，通过数值仿真方法，对探测器中途修正策略进行分析。根据探测器当前的状态参数可以进行轨道预报，得到终端状态的误差；通过蒙特卡洛仿真可以得到修正脉冲和修正后终端误差的统计特征随着修正时刻的变化情况。为了节省修正燃料消耗，修正时刻通常选取脉冲随修正时刻变化的极小值点。如果终端误差精度不满足要求，则需增加轨道修正次数。本文结合我国探测器的误差情况得到日心转移过程中需要四次轨道修正，修正策略和国外轨道设计策略相吻合。最后，对探测器的捕获问题进行了深入的研究。探测器经过日心段的转移到达火星影响球相对火星的速度的大小和方向近似为常数，根据脉冲模型的估计，探测器需先主动捕获到偏心率较大的椭圆轨道，然后通过气动减速至近圆形工作轨道。本文研究了探测器捕获后的目标轨道半长轴和偏心率给定情况下的燃料最优问题，求解最优控制对应的两点边值问题，得到燃料最优情况下的初始条件、捕获策略及燃料消耗。结果表明最优捕获策略为捕获发动机开机后以最大幅值工作至捕获结束，推力的方向近似沿着速度相反方向。为了满足工程需求，还利用粒子群算法对于轨道直接捕获过程中捕获发动机的姿态线性变化、惯性定向、沿着速度反向三种策略进行了参数的设计与优化，并且对比了燃料消耗量和误差对于结果的影响。然后，对于气动辅助策略进行了简要的分析。