脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）以其功率灵活可变、结构简单、可靠性高、在低功率下能够保持高比冲等特点,可用于执行微小型卫星的姿态控制、阻力补偿以及星座相位控制等任务。随着PPT受到越来越多的关注,如何研制高性能的PPT成为一个亟待解决的问题。等离子体的产生和加速过程直接影响着推力器的性能,因此有必要从PPT的工作过程出发,对放电通道内等离子体的产生和演化机制开展深入研究,揭示推力器设计参数对工作过程产生影响的物理机制,从机理层面对推力器的优化和改进提出建议。主要研究内容包括:针对PPT的工作特点以及电极结构特征建立放电通道磁场计算模型,在此基础上分析磁场随放电进程的变化规律以及电极构型对磁场的影响。在磁场特性研究中发现,阳极弯折结构的设计能够有效增大推进剂表面附近的磁感应强度,促进等离子体的电磁加速效应;电极间距或扩张角的变化能够影响磁感应强度的大小,表明电极构型的改进设计是提升电磁加速效果、优化推力器性能的重要途径。建立基于蒙特卡洛碰撞方法的粒子网格二维数值模型,开展PPT工作过程的数值模拟研究,揭示了脉冲电磁作用下等离子体的运动扩散机理。仿真研究发现,在放电过程中电子密度呈现由阴极到阳极逐渐减小的整体分布特点;而从放电通道上游到下游的电子分布则随时间的推移而变化。电子在通道内的运动特性呈现先由阴极向阳极扩散、再由放电通道上游向下游扩散的趋势,该扩散特性与电磁场的变化特点有关,即电场为电子提供初期的动能,洛伦兹力驱使具有一定动能的电子向下游扩散。在放电电流的峰值时刻,计算域内电子密度最高达到1023m-3量级。结合PPT等离子体特性随放电进程变化的特点,提出基于发射光谱数据的相对离子密度诊断方法,归纳等离子体特性的演化规律,剖析放电通道内等离子体的产生和发展过程机理。诊断结果揭示了放电过程中在推进剂表面附近电子、离子和原子的相对密度变化规律:放电起始阶段电子迅速富集、扩散,电子密度达到1023m-3量级,构成脉冲放电初期电极间形成电弧通路的载体;三种粒子的演化规律表明PPT放电依次经历雪崩-分解-电离这一系列物理及化学过程,而这些过程的不同步所导致的电离不充分现象,是造成PPT电离率低下的原因之一。这是PPT工作原理中难以改变的固有过程,需要从机理层面出发来考虑有效提升PPT电离效果的途径。在PPT放电通道内,形成了两团平均速度分别为20.2km/s和12.1km/s的离子,第二团离子产生时放电电流和电压均下降到较低的水平,无法继续为其提供大幅加速的条件,使这部分离子难以得到充分加速。在机理分析的基础上,以性能优化为目的,从提升电磁加速和增强电离效果两方面入手开展进一步的研究。在电磁加速方面,由于PPT工质表面的放电烧蚀以及工质电离和等离子体加速等过程集中在放电室内,因此通过研究不同放电室构型参数条件下的推力器的放电特性并预估电磁冲量性能,揭示放电室构型对推力器工作过程和加速性能的影响机制。研究结果表明,增大电极高宽比使电感梯度提高,而增大推进剂表面附近的电极间距会使放电电流峰值降低。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此采用在放电室下游增大电极扩张角的方法可使电极高宽比增大,这种空间上的分离解决了增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现了推力器电磁冲量的提升。在提升电离效果方面,采用理论分析与放电实验结合的研究方法,开展两级放电PPT的逐级放电特性研究,系统地分析电参数的配置对放电过程的影响机制,并通过光学诊断方法研究次级放电区等离子体的放电现象。在放电特性研究中发现PPT工作过程存在次级电容充电现象,依据电场仿真分析,该现象发生的机理是两级放电的阳极之间电势差引起了等离子体的输运。滤光图像和光谱诊断研究发现,在本文的逐级放电工况条件下,次级放电过程中产生了一价碳离子,并且PPT初级放电产生的等离子体运动到次级放电区时能够得到进一步的电离。在相同的总储能条件下,初级放电与次级放电储能比为1.77时的比冲相对于传统工作模式提升了约52%,效率由5.6%提升至8.4%。