多级会切磁场等离子体推力器是目前国际涌现出的一类新型电推进概念。采用多级永磁体形成的独特会切磁场位型能够有效地约束等离子体,降低等离子体在壁面的损耗。因而它具有寿命长、结构简单、质量小、推力连续调节范围大等特点。目前,由于人们对该推力器微观机制的认识存在不足,小型化多级会切磁场等离子体推力器存在电离率不足、羽流发散角严重、推力器效率偏低、多模式变化等诸多问题。本文分别对该推力器出口羽流区的加速过程和电离过程展开研究,并探讨其在不同放电模式下加速和电离机制。在此基础上,以空心羽流结构以及电离的竞争关系的研究对推力器放电模式的转变过程及机理进行了研究。开展了推力大范围连续可调的实验样机的设计和性能验证工作。主要的研究内容主要包括以下几个方面:首先,从羽流区离子能量空间分布的测量入手来探究不同放电模式下离子能量分布特性。羽流区离子能量分布特性的研究揭示了推力器的出口强加速电场的存在,并且在HC模式下电场较LC模式具有更大的径向分量。为了进一步探究加速电场形成的微观机理,从多种电子传导过程的研究中得出决定强加速电场形成的主导传导方式。在此基础上,开展了推力器的PIC数值模拟工作。结果表明,出口的强磁镜场作用必然会使推力器在出口羽流区形成两类电子传导路径。这两类电子传导路径分别对应于两种类型的加速电场。与外侧路径强磁场相关的强电场和与内侧路径弱磁场相关的弱电场,这种相关性决定了两种模式下电场分布的差异。在高放电电压的LC模式下,电子主要沿外侧路径传导并形成强的轴向加速电场,致使离子能量的分布更为集中。在低放电电压的HC模式下,内侧电子电流的增大使推力器形成以发散式电场为主的弱加速电场,致使离子的能量分布更为发散。电场在HC模式下更大的径向分量使其离子能量表现出了较LC模式下更好的空间连续性。在加速机制研究的基础上,开展了羽流区磁分界面角度优化的实验研究,结果证实了推力器中电子传导路径与不同放电模式加速电场之间的内在联系。在LC模式下,采用磁屏蔽控制推力器出口磁分界面角的方法大幅降低推力器的羽流发散角,这对于其性能的优化具有重要意义。其次,根据离子能量空间分布的不连续性对羽流区的离子进行分区研究。通过对各分区内离子能量分布随放电电压变化特性的研究明确了羽流区各特征区域内离子电流与推力器各电离区之间的相互对应关系。通道内电离区对应于II区的离子电流,通道出口电离区对应于Ⅲ区以及Ⅰ区的高能离子成分,羽流电离区对应于I区的低能离子成分。这些对应关系表明,在不同模式下推力器的主导电离区存在显著差异:LC模式以通道内电离区为主电离区,HC模式以出口电离区为主电离区。电离区分布的差异使得LC模式表现出更高的性能。而在LC模式下,通道内电离区的优化问题可以归结为各电离级长度与离子损耗之间的矛盾。对此问题的研究,设计了一套电离级长度可变的变截面推力器。实验结果表明,电离级长度对于推力器电离及整体性能的影响十分显著。增加中间电离级长度会加剧离子在壁面的损耗程度,因而不利于推力器性能的提升。而增加出口电离级的长度能够有效促进电离区的轴向延伸,并促进电离区和加速区的有效分离,因而有利于推力器整体性能的提升。再次,通过改变阳极电压、工质流量以及出口羽流区的磁场来研究这三个宏观特征参量对推力器模式转变作用规律。研究中发现,在模式转变过程中,三者都会对推力器的羽流特性产生相似的影响。因而羽流结构的研究成为研究推力器模式转变机理的关键。羽流区各特征区域离子能量分布函数的研究发现,推力器存在两类与电离区相对应的交叉式离子加速路径。这种加速路径揭示了空心羽流复合式结构的客观存在性,成为离子能量空间非连续性现象产生的根本原因。这一认识建立起了推力器各电离区与羽流区离子成分之间的清晰对应关系。该关系表明,在推力器模式转变的过程中,羽流成分的变化规律其实反映了出口电离区和通道内电离区之间的电离竞争关系。结合阳极电压、工质流量、出口磁场这三种因素对电子传导过程影响规律的分析发现,这种电离竞争关系普遍存在于三者变化所引起的模式转变过程中。因而,出口羽流区电子传导的规律的变化是引起电离区竞争的最直接因素,而电离竞争是引起推力器模式发生变化的根本因素。最后,在无拖曳任务的需求下,对HIT-CFT25型推力器进行设计,并对其推力大范围连续调节特性进行了研究。开展了基于双探针联合推力测量的理论和实验研究,并将其应用于推力下限的测量。结果表明,该推力器具有推力跨越三个数量级范围66μN(1.1W)～24.05mN(1127W)的连续调节能力。低功率下限和在高功率上限条件下稳定工作能力的探讨发现,推力器中两类电子传导路径的交替变化使其具有较大的电压调节范围,电离区电离强度的变化使推力器具有较大的工质流量调节范围。这两种大的调节范围极大地拓展了推力器稳定工作的范围,使其推力表现出跨域三个数量级的连续可调节能力。这个超大范围推力连续调节能力是目前其它同尺寸的小型化推力器难以达到的。此外,再加上其高分辨率的调节能力和长寿命工作等优点,多级会切磁场等离子体推力器在GOCE卫星任务甚至引力波探测任务的无拖曳控制中具有十分显著的优势和良好的发展前景。