稳态等离子体推力器(Stationary Plasma Thruster,SPT)是目前发展最好、在轨应用最多的一种电推进系统,它依靠磁场束缚电子形成虚拟阴极,进而产生静止交叉的电场和磁场,这个电磁场可以将来自于外置阴极的电子与中性推进剂原子碰撞并电离后的离子加速到传统化学推力器出口速度的5-10倍。这使得其比冲远高于化学推力器,在深空探测主推、卫星南北位保持和姿态控制等方面具有广阔的应用前景。目前,SPT推力器已经成功用于100多颗包括通讯卫星在内的多种卫星,俄罗斯采用SPT的卫星最多,其次是美国和欧盟,我国也已经实现了SPT应用的在轨测试。SPT推力器的高比冲有可能为航天器的商业运营带来巨大利益,同时,其小推力和易操作等特点也为航天器姿态的精确控制提供了重要手段。因此,发展SPT具有重要的科学、技术与工程价值。虽然国外对SPT的相关研究已持续进行了四十多年,在轨应用也有二十年之久,但由于SPT工作过程非常复杂,为改进和提高SPT的性能以及解决应用中发现的一些新问题等,对SPT的研究目前仍然是电推进技术领域的一个重要方向。目前的研究热点之一是SPT等离子体羽流与航天器之间的相互作用及其效应,这包括了附加热、附加力和力矩、溅射和沉积污染以及在绝缘表面(如太阳能电池板等)形成更严重的悬浮电势和表面电流等。这些问题虽然在SPT应用之初就存在,而且一些学者在不同时期对此也进行过研究,但鉴于当时的计算和实验条件,尤其是现在对应用SPT的要求越来越高,使得有些问题更加凸显。例如,目前使用的SPT都配备一个供电单元,NASA则倾向于采用太阳能电池板(Solar Array,SA)直接驱动SPT,这样可以大大降低SPT系统的重量。这就要求电池板的供电电压从目前的30V左右提高到SPT需要的电压,甚至高达500V。由此,使得溅射和沉积污染、表面浮动电势和表面电流的影响、甚至电池板的过热问题都远比以前严重。论文针对SPT稀薄等离子体羽流流场及其产生的溅射等多种污染效应,开展实验测量和数值模拟研究,以期掌握电推力器与航天器的兼容性。为此,建立了三维PIC-DSMC混合算法模型及多种潜在污染模型,采用Fortran语言编制了计算代码,为了提高计算效率,实现了基于GPU的CUDA并行技术。将SPT羽流实验测量结果与二维计算结果进行比较,电子数密度相对误差不大于14%,离子电流密度最大相对误差不大于15%,羽流速度相对误差不超过12%,表明论文建立的羽流模型和计算方法具有一定的可信度。为了了解掌握SPT等离子体羽流与航天器表面之间的相互作用关系,除了需要知道单位时间内进入流场的离子、推进剂原子和电子的参数外,还需要知道被溅射出来的绝缘材料原子参数,这是计算羽流流场以及离子撞击壁面产生的溅射效应等的输入条件之一。为此,建立了SPT短时间工作后测量被溅射掉的陶瓷原子平均数量的真空舱实验系统和方案,并改进了以往的半经验算法。利用真空舱内工作较短时间后的SPT,结合三坐标测量仪测量其放电室陶瓷绝缘层内外壁面轮廓的直径沿轴向的变化情况,获得了在测量时间内单位时间被溅射出来的陶瓷原子数量。测量结果表明,在实验期间,每秒每毫米长度陶瓷约有3×1013个原子进入流场。由于被溅射原子数量随SPT工作时间而变化,为了获得任意时间段内的参数,利用概率密度公式对文献半经验公式法进行了改进,验证结果表明改进后的模型和算法能够在短时间工作测量结果基础上较为准确地预测长时间工作后放电室壁面轮廓形状。例如,内外壁面最大绝对误差不超过0.51mm。采用1000小时短时间实验数据作为输入参数,预测4000h运行后SPT放电通道的壁面变化,内壁面平均相对误差为1.93%。在此基础上,可以得到任意时间段内推力器进入流场的陶瓷原子数。溅射产额是评估SPT羽流与航天器表面溅射效应的重要参数。采用SPT作为离子源,利用本文改进的法拉第筒和RPA探针,分别获得试件安装位置处的等离子体电流密度和能量;设计了与SPT放电室陶瓷绝缘层完全相同的材料试件、支撑系统和石墨束流盘,采用称重法获得了试件的溅射产额特性,该实验方案的优势在于一次实验可以测量多种材料试件或同种材料试件多个角度下的溅射特性。为了克服单纯依靠实验测量耗时耗钱且更低能量的离子溅射实验测量误差会陡然增大的缺点,利用实验结果,结合基于蒙特卡罗(MC)方法,较为详细地研究了入射离子能量低于300e V时,入射角度和能量对SPT放电室壁面材料溅射产额的影响规律。研究结果表明,实验测量结果在趋势上与文献相关结果一致,但由于我国自产陶瓷(BNSi O2)材料与国外有所不同,因此,在具体数值上有一定的差别。针对航天器壁面主要材料Fe和Si,对其溅射特性进行了数值模拟,获得了溅射模型需要的参数,为后续羽流污染计算提供基础。溅射特性计算表明,溅射产额随离子入射角度先增大后减小,而随入射离子能量则呈现增大的趋势,但当能量小于100e V时,溅射产额逐渐趋于一个非常小、可以忽略的数值。在上述工作的基础上,针对将应用于我国某型号航天器的SPT-100推力器,研究了其羽流三维流场特性,并对该航天器表面的热、力和力矩以及溅射和污染等现象进行了分析。结果表明,等离子体羽流引起的热流密度最大值出现在SPT底座,为329W/m2;附加力绝大部分数值都处于10-7N量级左右;附加力矩最大值在10-6Nm左右;SPT连续工作2000h后,太阳能电池板的最大沉积量达到10-5g/cm2,厚度大于10μm;溅射量则为1.2×10-5g/cm2;电池板表面光洁度的破坏会影响太阳光到达表面的角度,从而降低性能。SPT等离子体羽流场会导致某些固体壁面产生悬浮电势和表面电流,论文在三维羽流流场模拟的基础上,针对太阳能电池板,建立了悬浮电势和表面电流的计算模型,并研究分析了电池板电压的影响。结果表明,在给定的计算条件下,浮动电位大约处于-30V~-40V之间,所导致的表面电流小于10m A/m2,同时,电池板和羽流结构之间的相对位置,对浮动电位和表面电流影响很大。因此,在确定SPT工作策略时,必须考虑太阳能电池板所处的方位。