商业航天的迅速发展,对低成本低功率电推进系统的需求日趋强烈,但作为目前电推进广泛应用的氙气使其成本居高不下。氪气与氙气的性能相近,价格低廉,目前成功已运用到低功率霍尔推力器上,但性能下降较大。空心作为电推进系统重要的组件,放电性能对整个电推进系统有着显著影响。为此本文对低电流氪工质空心阴极放电特性进行了研究,并进行了放电优化。对比了空心阴极采用氙气和氪气放电性能差异,发现氪气工作时,放电电压和电子温度更高、气压更低,低电流下孔板温度更低,稳定工作范围窄。构建了COMSOL仿真模型,通过仿真模型发现,放电电压更高是发射体鞘层电压、孔区电势降和羽流区电势降均偏大的结果。研究了低电流氪工质空心阴极放电振荡特性。氪气与氙气放电时电流振荡均存在双峰,氪气振荡更小,但振荡中心频率更高。增加电流,阳极电流低频和高频振幅均增加,导致振荡加剧。随着阳极电流的增大和与阳极间距的缩小,电流振荡与等离子体密度振荡的相关性逐渐增强。增开触持极时,阳极电流和电压振荡加剧来自于低频振荡的加剧。触持极电流大小对阳极振荡的影响程度与阳极电流大小相关,在低阳极电流下,触持极电流越小,对阳极振荡的影响越小;在高阳极电流下则相反。随着阳极电流的增长,增开触持极对阳极电流振荡的影响程度先上升后下降;流量过大,能抑制触持极对阳极振荡的影响。对羽流区电势降进行了优化。通过增加背压,减小了羽流区电势降,但下降效果会随着背压的增加而逐渐衰弱。通过增大触持极与阴极间距,改变了触持出口等离子体空间分布,羽流区电势分布也随之改变,但对阳极电压的影响较小。改变触持孔径的效果与改变间距相同,但随着孔径的增大,羽流区电势分布改变程度逐渐减弱。从阴极稳定工作的角度考虑,触持极孔径的大小应与阴极的工作范围相匹配。对阴极内部放电进行了优化。通过加长发射体降低了发射体鞘层电压,导致放电电压下降,但下降程度随着长度的增加而逐渐减弱。并指出发射体长度应与工作电流相匹配。增大节流孔直径,发射体鞘层电压和孔区电势降减小,阳极电压下降,并指出孔径的大小应兼顾放电功耗和自持范围。通过额外开加热电源,降低了发射体鞘层电压,阴极工作下限得到拓展。对阴极温度场进行了仿真,并评估了阴极的隔热结构。为降低发射体区域的能量损失,应减小材料的辐射系数,阴极管的导热系数应尽可能小。