电推进是一种利用电能加热或电离工质产生高速羽流来获得推力的推进方 式。凭借其高效率、高比冲的优势，电推进已成为空间推进技术研究的重点方 向，并逐步发展为航天器在轨机动的首选推进方案。随着航天任务需求的多样 化，电推进系统的应用范围不断扩大，而常规工质氙气的供应受限，使得替代工 质研究备受关注。然而，推进工质因质量和电离能等物性差异，不可避免地引起 推力器性能变化。因此，为研制性能优异的替代工质电推力器，需要基于工质特 性深入探究推力器中的关键物理过程，包括放电室内的工质输运及等离子体放 电机制和外流羽流的膨胀加速特性，然后开展针对性的性能优化。 本文面向电推进替代工质的推进性能研究，通过高精度数值建模，围绕典型 离子推力器和霍尔推力器，开展不同工质的放电特性模拟、性能特点分析、加速 机理探究，并探索羽流加速优化策略，力求揭示影响推力器性能的关键物理机 制，深化对电推力器放电与加速机制的理论认知，为发展高性能替代工质推力器 提供数值模拟手段和理论指导。本文的主要内容如下： (1) 针对电推力器中不同类型粒子运动存在的显著时空差异，提出了一种 基于协同迭代算法（synergisticiterative algorithm）的多尺度粒子模拟方法。该方 法耦合了描述带电粒子运动的粒子网格-蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）方法与描述 中性粒子动力学的直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法，实现了等离子体流场中带 电粒子与中性粒子运动特性的自洽求解，其中带电粒子与中性粒子动力学分别 采用各自特征时间尺度推进，从而避免了由不同粒子时间尺度差异过大而引发 收敛困难问题，提升了等离子体放电的计算效率。将该方法应用于离子推力器放 电模拟，计算结果与实验数据高度吻合，验证了其在电推力器放电求解中的准确 性和可靠性。 (2) 采用多尺度粒子模拟方法，针对MiXI构型离子推力器，系统研究了氙 （Xe）及其潜在替代工质氪（Kr）、氩（Ar）和碘（I2）等放电特性。模拟结果表 明，在Xe工质最优工况参数下，Kr和Ar难以维持稳定放电，提高放电电压才 能有效改善Kr和Ar的放电稳定性，而调节磁场强度、工质流率和放电电流等措 施的效果有限；工质利用效率和放电效率同时受放电电压与工质流率影响，且存 在极限，最大效率按Xe＞Kr＞Ar的顺序递减；此外，I2工质展现出与Xe高 度一致的放电性能及变化趋势，意味着现有Xe工质离子推力器的放电优化策略 有望应用于碘工质推力器的设计和优化。进一步研究发现，离子扩散损失（而非 传统认为的电离能）是决定工质放电性能的主导机制；揭示了混合工质（Ar/Xe） 提升放电稳定性并促进放电点火的核心机理，即通过提高等离子体平均质量，减 小离子损失并增大等离子体电势。这一发现为新型点火促进工质的筛选提供了 理论指导。 (3) 围绕经典的SPT-100构型霍尔推力器，对比研究了Xe及空气工质（N2、O2 及N2/O混合气体）的放电特性和近场羽流特征。数值模拟结果表明，在相同 放电电压和质量流率条件下，空气工质的最大放电效率仅为25%，仅为Xe工质 效率的一半。与Xe工质相比，空气工质放电呈现如下性质差异：1）较低的电离 度提高了电子迁移率，从而抑制了放电通道出口区域的焦耳加热效应；2）离子 快速逃逸导致通道电势下降，削弱了输入功率对电子的加热能力。这些机制共同 导致空气工质放电效率降低、推功比增大，且其最小点火流率明显高于Xe工质。 为改善空气工质性能，系统考察了空气/Xe混合工质的放电与加速特性。研究结 果表明，Xe的引入可增加等离子体平均离子质量，有效提升放电通道电势并增 强电子加热效率，从而实现点火流率降低和推力器整体性能提升。进一步分析 发现，Xe主要影响放电通道内的离子分布特征，对羽流区分布的影响相对有限。 定量分析显示，提高Xe混合比例可显著改善稳态放电时的功率利用效率（推功 比），因此在功率受限的应用场景（如吸气式电推进系统）中，采用空气/Xe混合 工质方案具有潜在优势。 (4) 最后，探索外流性能增益方案，针对电推进磁喷管（MN）的加速机理 开展了数值模拟和深入分析。采用轴对称全动理学粒子网格（PIC）方法模拟求 解了等离子体在磁喷管中膨胀加速的详细过程，发现磁喷管的加速作用存在区 域差异特点，即具有总体的额外加速效果但会抑制轴线区域的离子加速，因此在 使用磁喷管提升总推力时必须考虑二维积分效应影响。理论分析证实，角向电流 与外加磁场相互作用产生的磁推力是增强等离子体羽流推力的唯一来源。进一 步分析发现，与应力张量相关的电子输运效应会诱导顺磁漂移电流并产生负推 力，因此，在流体建模中必须充分考虑与流动本构关系相关的电子输运过程。数 值模拟证实，可通过增大磁喷管线圈半径等手段优化磁喷管结构，抑制电子输运 相关的负推力产生，提升磁喷管的推力性能。