航天器轨道机动是其实现各种空间任务的重要前提,因此运行轨道的优化设计对空间操作的过程起着决定性的作用。以往空间操作中航天器的轨道机动大部分是在脉冲推力下完成的。近十几年来,连续推力由于其轨道操作机动性强、时间短而受到关注。最初的连续推力的研究为矢量推力,即航天器推力模型主要是连续可变方向推力,对于快速交会来说,矢量推力是难以精准控制。本文研究的多特定方向推力模型是在径向、周向和法向三个方向独立设置推进器,每个推进器有正推和反推两个方向,针对不同的空间机动任务,多个推进器通过合作机动最终完成任务。本文以多特定方向推力为推力模型,研究了航天器非指定轨道协同交会的燃料最优问题。针对该类最优控制问题,以经典最优控制理论作为理论基础,常见的优化方法有直接法、间接法和混合法。对于直接法和混合法,本质上是通过对相关控制变量进行全部或部分离散化,将原问题转换为参变量优化问题,进而通过一些优化算法得到待优化参变量的值,而对于多特定方向推力模型,待优化参数相对于连续推力模型急剧增加,优化计算难度陡增,尤其对于较小推力作用下的空间机动任务,航天器推进器需要频繁开关,推滑段的增加导致该类离散优化方法的难度进一步增加,因此,本文将间接法应用到多特定方向推力下航天器非指定轨道交会的最优控制中。间接法是根据经典最优控制理论,引入协态变量,建立哈密顿函数,从而得出最优控制函数方程,由于开关控制函数以及方向控制函数都由相应约束方程控制,不像混合法那样需要额外设置航天器发动机开关序列,优化过程中待优化参数相对较少,因此可以计算难度较大的较小推力空间机动问题。但间接法在求解多特定方向推力下以燃料消耗为性能指标的两个航天器协同交会问题中面临很多困难,因此本文采用了很多针对性的改良方法,提升了间接法优化计算的可操作性,并设计了一系列仿真算例验证了间接法相对混合法的明显优势。在求解燃料最优问题中,由于开关控制律的阶梯型特征,使得协状态变量微分方程无法平滑积分。针对这一 bang-bang控制问题,文中引入同伦技术对阶梯型控制律进行平滑处理,由于是多特定方向推力模型,因此径向、周向以及法向三个方向的最优控制律各自独立,各自引入线性递减的控制参数,通过开关函数以及控制参数的共同约束,最终得出每一时刻航天器在某一特定方向发动机的开关判断,从相对简单的能量最优控制问题以线性递减的方式平滑过渡到原问题,进而得到燃料最优控制问题中的最优解。其次,由于协态变量缺乏相应物理含义并且初始值范围未知,而间接法最终结果的收敛性对协态变量的初值设置极为敏感,初值精度直接影响最终优化结果,因此本文对协态变量作归一化处理,将其值限制在一个多维空间球面内,从而提高了优化计算的效率。由于本文研究内容是以两航天器协同交会任务为背景,最终轨道为非指定轨道,交会时间未知,因此寻优过程难度较大,针对这一问题,本文采用全局收敛性极强的量子粒子群智能优化算法（QPSO）对能量最优问题的参变量进行初步寻优,然后利用同伦技术过渡到燃料最优问题,该过程中采用局部搜索能力更强但对迭代初值敏感的序列二次规划算法（SQP）。本文推导了间接法在多特定方向推力下的航天器协同交会燃料最优控制理论,并根据理论做了一系列的仿真优化算例。仿真结果显示,对于较为简单的共面协同交会问题,间接法优化结果略优于混合法;针对较为复杂的异面交会问题,在同一初始条件的前提下,设定了三组不同推力工况进行优化计算,结果显示,在机动时间大致相同的情形下,间接法比混合法能更节省燃料,说明对于多特定方向推力,将同伦技术用于庞特里亚金极值原理中的开关函数是可行的。同时可以看出间接法在较大推力下的优势不明显,这是由于无论用间接法还是混合法,最终推滑段不会超过混合法人为设置的推滑段;而随着推力逐渐减小,混合法用满预先推滑配置,其优化的中间参数增多,优化难度增大,优化结果明显不如间接法;当推力逐渐减小时,混合法预置的控制策略逐渐不满足最优控制甚至无法得到优化结果,而间接法由于无需事先配置航天器开关策略,因此不受限于航天器推力大小、交会任务复杂等各种因素,优化参数数量远小于混合法,因此计算难度更小,同时间接法在理论上保证了最终优化解的一阶最优性。