磁等离子体推力器（MPDT,Magneto Plasma Dynamic Thruster）具有推力密度大、比冲高、功率大、结构简单等优势,在深空探测、星际航行、大型空间飞行器轨道转移等空间任务中具有广阔的发展前景,是未来可控核聚变技术在空间电推进领域得到实际应用的首选。MPDT工作时存在多种物理过程,其内部工作机制极为复杂。目前已有研究对MPDT工作机理的理解还不够深入,致使一些存在的问题得不到有效解决。因此,开展MPDT工作机理的研究,不仅具有重要的科学意义,还具有潜在的工程应用价值。作为一种重要的数值模拟方法,粒子模拟方法能够客观地反应等离子体的运动规律,非常适用于研究物理机制还不是很清晰的问题。本论文基于等离子体粒子模拟方法,针对MPDT加速机制不明确、工作稳定性差、系统效率低以及电极烧蚀严重等问题,系统开展MPDT的工作机理研究,旨在厘清相关科学认知,探索提高推力器综合性能的方法与途径。针对等离子体粒子模拟技术中计算量大的难题,论文提出了一种用于PIC/MCC模型的高效计算方法,即缩比模型标度方法。基于模型缩比前后带电粒子的运动特征不变性与放电相似性,得到了缩比模型物理量的标度关系;通过模拟带电粒子的运动轨迹与放电等离子体特征,对标度方法进行了验证。研究表明,该方法可以减少模拟的粒子总数,缩短放电达到平衡的时间,可以还原等离子体的原始放电状态;在同等计算条件下,能够将等离子体粒子模拟计算时间从数十天缩短至几个小时,计算效率提高十分明显。深入开展了AF-MPDT的工作机理研究。（1）针对推力器放电过程中粒子运动规律不清晰的问题,建立了用于模拟AF-MPDT放电过程的PIC/MCC静电仿真模型,基于该模型研究了放电腔横截面内带电粒子的E×B漂移特性。研究结果表明,推力器等离子体中电子被磁化而离子未被磁化,进而使得电子作回旋漂移运动,而离子作偏转漂移运动,并且近阴极区域的等离子体转动动能大于近阳极区域。（2）针对推力器等离子体加速机制与能量转化机理不明确的问题,分别阐明了电场与磁场对等离子体的加速作用;建立了推力器三维粒子运动模型,首次通过粒子模拟方法,获得了单粒子在推力器中的运动轨迹;通过求解MHD方程组,得到了等离子体磁压力的表达式;通过分析单粒子在电磁场中的能量转化规律,验证了磁喷管加速原理。研究表明,电场加速机制主要包括电子倍增、双极电场加速与电双层加速,磁场加速机制可分为放电腔内部的轴向附加磁场加速与推力器出口的缓变磁场磁喷管加速;粒子动能完全来自于电场做功,磁喷管的缓变发散磁场能够将等离子体非轴向动能转化为轴向动能,从而增强了推力器电磁加速效果。（3）针对推力器工作稳定性差的问题,阐明了推力器“onset”现象的物理原理;通过求解等离子体扰动方程,得到了轴向附加磁场作用下等离子体静电波的色散关系;首次采用粒子模拟方法探究了AF-MPDT放电等离子体不稳定性的产生原因、发展过程及所属类型。研究表明,因为电子与等离子体静电波相互作用引起波的增长,导致电荷集拢现象,最终产生推力器等离子体不稳定性;不稳定放电会加剧电极烧蚀现象、降低离子旋转动能、降低电能到动能的转化效率;证实了AF-MPDT等离子体不稳定性属于电子回旋漂移不稳定性。开展了SF-MPDT的工作机理研究,建立了用于模拟SF-MPDT放电过程的PIC/MCC电磁仿真模型。（1）开展了推力器放电腔内电磁场与等离子体的分布特性仿真研究;探究了放电电压、工质质量流率与感生磁场对等离子体密度、温度与速度等特征参数的影响规律,并首次模拟得到了推力器的电极鞘层特性。研究结果表明,本模型仿真得到的感生磁场分布与文献实验结果基本一致;随着放电电压的增加,放电腔内部等离子体密度会先增大后减小;阳极唇对等离子体具有加速作用。（2）针对推力器系统效率低的问题,研究了阳极功率沉积的组成以及阳极压降的物理机制,分析了感生磁场与工质质量流率对阳极压降的影响规律。研究结果表明,阳极压降的性质取决于阳极表面与等离子体中的电流密度平衡关系;可以通过增大阳极电流接触面积、提高阴极电子热发射能力以及提高阳极表面的等离子体密度等措施,减小阳极压降进而提高推力器效率。（3）针对推力器电极烧蚀严重的问题,开展了阴极烧蚀现象及其影响因素研究。研究表明,放电电压越大、工质质量流率越高,阴极烧蚀越严重;可以通过选取电离阈值较低的气体工质、降低放电电压以及降低阴极附近的等离子体密度等措施,避免阴极过度烧蚀,从而延长推力器的使用寿命。