近十年来，随着小卫星、微小卫星、行星探测器以及深空探测.、星际航行等空间探测技术的兴起，要求航天器上的推进系统质量更轻、体积更小、效率更高，传统的冷气和化学推进系统越来越难以达到要求，发展结构紧凑、消耗工质少、成本低廉的推进系统已成为迫切需要。采用电推进可以增大航天器上有效载荷的重量或缩小航天器尺寸，且只需更小、更廉价的运载火箭，因此可以显著降低费用，尤其适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、位置保持，乃至宇宙探测和星际航行等任务。 电推进技术经过几十年的发展，现在日益引起人们的浓厚兴趣，特别是电弧加热推进技术。在航空航天领域电推进多采用气体作为工质，而用高导电性水作为工质，研究水电弧现象和水电弧加热推进效应的研究相对较少。本文摒弃了空间等离子体推进技术以惰性气体为推进剂的技术方案，采用具有高焓特性的水作为推进剂，它具有结构简单，易于控制，不污染环境，成本低廉，水蒸气具有高焓特征等优点，水电弧可以应用于推进、切割、焊接和污水处理等方面。在航天领域所采用的推进技术，除了工质之外，还要采用保护气体，甚至有的还需要冷却。本文只采用水，它起到推进剂、保护气体和冷却剂三位一体的功能，对这种单一介质所起的三种功能必须用等离子体物理、流体力学和热力学相关知识进行分析。 在参阅了大量的文献基础之上，通过长时间的研究和试验，建立了水电弧加热发生器的物理模型并分析了它的工作机理。分析了起弧放电条件，找出了设计水电弧加热发生器时应遵循的基本规律，导出了发生器入口处最大水量的计算公式。本文研制出的水电弧加热发生器与传统的锥形电弧发生器结构完全不一样。 建立了水电弧加热发生器实验系统，分析了水电弧加热发生器实验系统的稳定性及电弧对电源的要求。即要使系统稳定工作，要求工作点处，电源施加在电弧上的伏安特性曲线的下降陡度要小于该点电弧伏安特性曲线陡度。设计了具有陡降伏安特性曲线的高压电源和电抗器。建立了发生器伏安特性测试电路，检测了发生器电压和电流信号，得出了伏安关系曲线并对其进行了分析，分析表明它不仅具有电弧的一般特性，还具有过零、熄弧和重燃等特性。 采用光谱法测量电弧温度，重新制作了便于测量水电弧温度的发生器，根据测量结果分析了电弧温度与水量以及电弧温度与电流之间的关系。进行了水电弧加热推进试验，即推动模型船行驶，检测了推进器的推力。 分析了水在发生器内的加热起弧过程以及电导率和电流密度随温度变化情况。建立了发生器内工质遵守的电磁场方程、流体连续方程、质量守恒方程和动量守恒方程，设计了用耦合法计算水电弧发生器内部电磁场、温度场和流场计算流程图，据此用fluent软件为平台进行了二次开发，综合考虑电热和相变理论，将水气两相流场、热场、电场耦合在一起，计算出了水电弧发生器内的温度、工质密度、压强和工质流速随时间变化情况，计算结果又有助于发生器的设计。 建立了水射流等离子弧羽流的电磁约束物理模型并进行了公式推导，得出带电粒子在均匀磁场和电场中的运动轨迹方程。对单带电粒子和等离子体在均匀磁场和电场中的运动进行了数值模拟，发现了一些失稳现象并研究了失稳原因，为合理设置均匀电场和磁场提供了理论依据。为产生均匀磁场建立了两个线圈组的物理模型，对该物理模型进行了分析，得出了磁感应强度公式，依据磁感应强度公式用软件编写了求解线圈参数的程序。通过试验数据算出了水电弧发生器出口处等离子体的浓度。 本文设计的水电弧加热发生器物理模型和设计水电弧加热发生器时应遵循的基本规律，为今后的研究工作提供了一定的帮助和借鉴，对新型发生器的设计具有一定的参考价值。