氢气和甲烷等气体燃料在空间推进中具有显著优势，并能适应多样化应用场景的需求。燃料与含氧气体的燃烧过程直接影响推力器性能，目前对其科学规律的系统性认识尚不完善，推力器设计缺乏依据。本文研究围绕气体燃料空间推力器的燃烧基础问题展开，以氢气和甲烷为主要燃料，深入分析催化点火的控制机制、受限射流扩散火焰特性和稳定机理以及孔板主动湍流强化燃烧的作用规律，并开展推力器样机研制，对其性能进行测试与验证。研究成果可为高性能推力器设计和相关技术应用提供科学支撑。
         对氢气-氧气和甲烷-氧气在蜂窝陶瓷载铂催化剂中的催化着火特性开展实验和数值模拟研究，获得了入口速度、温度和混合物当量比对催化反应与气相着火的影响规律，阐明了反应动力学和流体输运的控制机制，并对关键基元反应和反应路径进行了识别。在两种燃料与氧气的催化反应体系中，反应动力学和流体输运两种控制机理相互竞争，它们的相对作用取决于混合物当量比和入口速度，以这两个工作参数为坐标，建立的稳定着火区域及其边界得到了实验结果的验证。氢气-氧气催化燃烧的关键基元反应为氢和氧的吸附以及氢的脱附反应，关键气相基元反应包括H₂和O₂的链式反应以及HO₂的生成反应，甲烷-氧气催化燃烧的关键反应包括甲烷及其衍生物的分解与转化的表面反应、表面复合反应和氢的脱附反应；反应过程中，表面吸附-脱附与气相链式反应协同，气相反应与催化反应是相互促进的。
        实验与数值模拟结合，系统地研究侧向受限同轴射流扩散火焰特性，揭示了射流/伴流速度、燃料类型、伴流氧浓度和受限比等多种因素耦合作用下的火焰特性及稳定规律。相比自由射流扩散火焰，受限射流火焰表现出更为多样的形态特征和稳定行为：当受限比和氧化剂供应量一定时，在火焰高度随燃料射流速度增加的阶段，火焰高度符合自由射流火焰高度的变化规律；火焰开口的临界射流/伴流速度比(u_j/u_co)_cr随受限比δ*的增加、化学当量摩尔比S的减小而增大，(u_j/u_co)_cr = 0.96(δ*)²/S，火焰开口的临界等效全局当量比为0.96，大于该值时，火焰开口；受限射流扩散火焰提前发生推举，推举临界射流速度随伴流速度与受限比比值的增加而线性减小。受限空间中壁面附近出现的回流通过改变火焰根部附近的局部气流速度分布促进推举的发生，考虑火焰的放热效应，建立了反映受限比、射流/伴流动量比、伴流氧浓度以及燃料类型等因素综合作用的回流判据。
         对孔板湍流发生器作用下的射流流场和火焰流场进行详细的PIV测量，对火焰特征进行观测，揭示了孔板主动湍流射流的流场特性及燃烧反应的影响，获得了射流喷口附近流动特征与孔板阻塞率和射流速度的关联关系，提出了火焰高度和推举高度依赖孔板和射流参数的关联预测模型。冷态射流流场中，射流速度u_j和/或孔板阻塞率β增大至临界值时，平均轴向速度的径向分布和射流半宽的沿程发展与被动湍流射流流场一致，在流场测量的工况范围内（u_j < 4.72 m/s，β = 0.79 ~ 0.95），旋涡运动粘度小于被动湍流射流；火焰的存在引起中心线附近流动加速，射流宽度随之减小，而平均速度剖面依然表现出自相似的湍流射流流场特征。在射流流场和火焰流场中，中心线上脉动速度均方根u'在喷口下游较长一段距离内基本保持不变，其大小与uj和β有关，u' = 0.055(1-β)^-0.7u_j。射流流场和火焰流场中的旋涡运动粘度可分别表示为ε = 0.0032(1 - β)^-0.6u_jD_in和  ε = 0.016u_jD_in，即在冷态条件下ε受到β和u_j的影响，而在火焰流场中ε与β无关；这表明燃烧反应可对湍流脉动产生增强或抑制作用，实际作用效果与ε和β（它们决定了射流喷口流动条件）有关，给定射流速度条件下，β < 0.93时火焰流场中湍流脉动得到增强，β > 0.93时脉动减弱。孔板主动湍流射流扩散火焰的高度随β的减小和u_j的增加而增大，直至达到低于被动湍流射流扩散火焰高度的常值，表明当射流速度足够大时孔板湍流发生器可产生超过被动湍流射流的湍流水平。依据流场测量结果特别是射流喷口处脉动速度均方根的特征，提出了基于射流宏观参数的Karlovitz数，可很好地关联孔板湍流发生器作用下的火焰高度及推举高度。
         研制理论推力0.5 N的催化点火气体燃料推力器，对推力器样机进行点火和推力测试，掌握了工作参数和燃烧室结构对推力器性能的影响规律。根据催化着火机理研究结果确定点火工况，研制的气体燃料推力器在常温条件下实现了氢气-氧气的快速点火，在较低的催化剂预热温度下顺利点燃甲烷-氧气。研究表明，气体燃料推力器燃烧室结构设计、工作参数确定要以受限扩散火焰特性为基础，一定的受限比、燃料/氧化剂流量条件下，燃烧室长度应与火焰高度相匹配，而孔板主动湍流通过强化燃烧提高了推力器比冲。对临近空间应用场景中的推力器性能开展测试和分析，发现引入空气可提高推力器比冲，比冲随氧浓度的减小呈现指数增加趋势，甲烷燃料推力器需同时考虑氧气浓度降低对射流火焰稳定性的负面影响。