推力在大范围内可调的电推进系统成为近年来空间电推进技术的研究热点。对于为离子推进器和霍尔推进器提供电子的空心阴极需求随之进一步提升。本文针对空心阴极在变工况过程中产生的问题开展研究。主要内容如下:首先,研究了在大范围内改变放电电流对传统定电流空心阴极放电特性和腐蚀特性的影响。结果表明,放电电流在大范围变化时,空心阴极放电电压上升。发射体温度随放电电流增加而增加。放电电流低于设计电流时,发射体温度降幅增大。空心阴极羽流区的氙离子能量和数量随放电电流增加而增加。另外,采用高速成像技术研究了空心阴极等离子体形貌在启动过程中的演化。采用增加启动阶段空心阴极内气压方式降低空心阴极材料在启动过程的腐蚀速率。在一万次循环启动实验中,空心阴极放电特性基本保持不变,仅在节流孔板和发射体出口发生轻微腐蚀。利用等离子体发射光谱技术结合碰撞-辐射模型研究了放电电流对空心阴极材料腐蚀速率的影响。结果表明,发射体材料损耗速率在大放电电流下加速增大。其次,对空心阴极在大范围变供气流量条件下的放电特性和腐蚀特性开展研究。结果显示,增加供气流量可以优化空心阴极放电特性。但供气流量超过一定限度后,其优化效果放缓。针对空心阴极痕量腐蚀产物测量难点,搭建飞行时间质谱检测平台。质谱结果显示,氙气流量从4 sccm增加到8 sccm后,发射体、触持极板和节流孔板的腐蚀速率下降1-2个数量级。研究结果表明,高温蒸发是发射体材料损耗的主要因素,节流孔板的腐蚀速率则受高温蒸发和高能离子轰击共同作用。再次,研究宽工况范围空心阴极局部过热和材料腐蚀加速问题的产生机理。通过建立数值模型获得难以直接测量的空心阴极内部参数。发现大放电电流下局部过热是限制空心阴极放电电流范围的直接原因,等离子体空间分布随工况变化是根本原因。等离子体的空间分布决定了其热沉积分布和对空心阴极零件的轰击效果。现有空心阴极结构是针对定工况设计的,其与宽工况范围需求的矛盾在于流经节流孔的电流密度随放电电流同步变化。据此,讨论了宽放电电流范围空心阴极应具备的两个基本特性:更均匀的发射体温度分布和自适应的节流孔区电流密度。最后,提出节流孔板内置空心阴极设想并对其进行实验验证和电流自适应机理研究。结果表明,节流孔板内置空心阴极的放电特性得到优化。节流孔板内置可以平缓发射体温度梯度,降低空心阴极工作温度。节流孔板外侧发射体可以分担部分电子发射任务,其电子发射比例随放电电流增加而上升。腐蚀模拟结果显示,节流孔板内置可以降低其稳态工作的腐蚀速率。新结构空心阴极放电性能在一万次循环击穿、启动实验期间稳定。实验结束后,发射体材料无肉眼可见形变,节流孔板腐蚀速率也满足上万次启动寿命需求。