随着空间应用需求的增长、国防面临危机的增加、市场竞争的加剧以及微细加工技术的逐步突破,微小卫星的重要战略意义和巨大经济价值日益被人们所认可。然而,微小卫星的姿轨控需要小而精确的推力。显然,传统的化学推力器难以胜任。电推力器具有比冲大、推力小、重量轻、精度高等特点,越来越受到各航天大国的重视,但电推力器工作时产生的等离子体羽流对卫星上敏感表面和仪器所产生的潜在污染比中性羽流更为严重,因为除了通常的热污染、光污染、机械污染和化学污染外,还有电磁污染。因此,对其等离子体羽流特性进行系统研究是电推力器走向全面应用之路的关键一环。它随现代高新技术的发展而出现,分析法不能有效解决,而实验又非常困难、费用昂贵的复杂流动问题。　　 目前,等离子体羽流研究主要有实验和数值模拟两方面。实验测量工作获得的数据更可靠,但费用高,易受多种客观条件限制而难以获得全部信息；随着计算机性能的不断提高,数值模拟已经成为另一主要研究途径。单元粒子法(Particle-in-Cell,PIC)是等离子体粒子模拟中最基本的方法之一,直接模拟蒙特卡罗法(Direct SimulationMonte-Carlo,DSMC)是研究稀薄气体动力学的最重要方法之一。由于电推力器羽流为稀薄超音速等离子体,单一的PIC法和DSMC法都不能有效模拟这类流动问题。将这两种方法相结合形成PIC-DSMC混合方法是一条合理的途径。　　 稳态等离子体推力器(Stationary Plasma Thruster,SPT)是目前研究、应用最多的电磁式推力器之一。本文以上海空间推进研究所研制的SPT-70推力器为对象,运用Langmuir双探针系统在真空舱内对其羽流场的电子温度和数密度进行测量。考察推进剂流量、放电功率等对流场的影响。实验所得结果为数值模拟提供输入和验证。然后,基于PIC-DSMC混合法,建立二维轴对称仿真模型。基于等离子体准中性假设,简化电子动量方程,假定电子等温流动,忽略磁场作用,不考虑碰撞作用,简化电子动量方程,引入Boltzmann关系式求解流场等离子体电势。仿真中考察了流场的电势、温度、速度、浓度分布,并通过与实测值的对比验证了仿真模拟。讨论了背压、扩张角、出口速度、参考电子温度、流量、羽流成分等因素对流场的影响,分析表明背压和扩张角对流场影响较大。进而,本文还首次在电子动量方程简化过程中,考虑了电子与离子和原子碰撞作用,保留摩擦项,在轴对称坐标系中建立五点差分格式,运用交替隐式法(AlternatingDirection Implicit,ADI)求解电势,这样的处理方法,在现有文献中未见报道。运用这一方法对SPT-70羽流特性的模拟结果表明,两种仿真结果较吻合,但在流场中心处新模型能获得比Boltzmann关系式更好的精度。总体上,仿真结果与实验值在数值上和变化趋势上基本一致,所建仿真模型能够有效预测流场参数。对国产SPT-70的羽流研究表明:该推力器的扩张角约为30°；额定工况下,流场电子温度约为2 eV,推力器出口下游羽流中心0.3～1.0 m处的电子数密度为2.5×1016×5.0×1015 m-3。此外,利用仿真所得的真空羽流温度、浓度等流场参数,结合已有的羽流反向蒙特卡罗辐射模型,还首次对SPT-70羽流进行了红外辐射特性分析,这是同类研究中尚未涉及的。分析表明,空间工作状况下的SPT羽流红外辐射能力相对于推力器表面和出口处极弱。　　 针对美国航空航天局格林研究中心开发的实验室脉冲等离子体推力器(PulsedPlasma Thruster,PPT),在直角坐标系中建立三维仿真模型,研究该推力器在20 J放电能量下的羽流场瞬时特性。仿真中,输入参数根据文献已有的二维仿真模型和实测结果确定。所建模型的电子动量方程中考虑库伦碰撞效应,即在处理离子运动问题时,除了电磁力还引入一个描述电子与离子和原子碰撞的局部力场,这样使得仿真模型与实际情况更为接近。将电子动量方程离散并建立七点差分格式,运用ADI法求解流场电势。研究了流场电子、离子、原子分布情况及其随时间的变化。通过与国外三探针实验数据以及二维轴对称模拟的对比表明,三维仿真模型不仅能够在平行和垂直于推力器电极的两个平面内有效预测流场参数,而且仿真精度优于二维模型,尤其是在仿真初期。三维仿真结果十分适合于与实测值进行对比,因为PPT羽流测量工作是分别在这个两个平面内完成的,而这是二维仿真所不能达到的。　　 总之,将实验测量和数值模拟相结合,研究电推力器等离子体羽流稳态、瞬态流动特性,这使得所得结果准确、可信、可行。文中所用的研究方法,所得的研究结果仍可为电推力器羽流的更深入研究提供参考。