随着人类对于太空资源探索和开发的需求日益增长,以火星探测为首要目标的深空探测任务是未来一段时间内各航天大国的战略重点,而这对高性能的空间推进器提出了更严苛的要求。核聚变能作为一种高能量密度的能源形式,基于核聚变的空间推进器能够提供高比冲、高比功率、中高推力的推进性能,从而大大提高深空探测任务的范围和能力。鉴于国际上聚变空间推进器研究尚处于初期发展阶段,因此有必要对其推进性能与深空探测任务性能参数之间的依赖关系进行研究,特别是最优化运行工况下的规律。在此基础上,还需要确定聚变空间推进器的宏观发展方向与关键子系统的设计目标。本文首先参考一种适用于评估高性能空间推进系统推进性能的计算模型,并将其拓展到火星探测任务场景中,在此基础上,开发了 MATLAB代码,用于对火星探测任务性能与聚变空间推进器推进性能之间的依赖关系进行研究,从比冲上下界、临界比冲、推进系统效率等新角度对聚变空间推进器运行在最优工况时的条件进行分析,进而给出了通常能够使聚变空间推进器运行在最优工况的比冲和比功率等参数范围,并为后续聚变空间推进器性能参数依赖性关系评估提供理论依据与研究范围。根据深空探测任务对聚变空间推进器的性能需求,本文简要阐述了聚变空间推进器具有潜在高比冲的物理本质,并对比了不同的聚变燃料方案,同时也分析了聚变能作为空间推进应用在太空中的机遇和挑战。以火星对接任务和火星往返任务为例,参考最优运行工况时比冲和比功率参数范围,分析火星探测任务性能如任务时间和有效载荷份额与聚变空间推进器性能参数如比冲和和比功率的依赖关系。在此基础上,通过考虑聚变堆芯输出功率、推进器结构质量、推进器初始发射质量、任务时间和有效载荷份额等参数在当前工程技术条件下的合理性并做适当外推,给出了未来聚变空间推进器系统的设计目标参数空间及几组参数适中的参数组合方案,同时依据前述讨论,提出了未来聚变空间推进器的初步设计构想。本文还对聚变空间推进器关键子系统磁喷嘴系统进行了初步性能评估和分析,这也是聚变能拓展在空间推进应用中需要补充发展的一套关键子系统。第四章首先概述了聚变磁喷嘴的基本理论与特点,其后根据磁喷嘴性能计算模型,对聚变空间推进器性能参数和磁喷嘴系统参数进行评估,得到磁喷嘴磁喉处磁场、库区等离子体密度和氢推进剂与聚变堆芯高能带电粒子质量流量比参数与主要推进性能参数如比冲、推力、聚变堆芯传输功率等的依赖关系,定义了氢推进剂与堆芯高能带电粒子质量流量比这一未来聚变磁喷嘴设计中的关键参数,对未来聚变磁喷嘴系统的设计具有重要借鉴意义。本文最后根据前述关于聚变空间推进器的推进性能与任务参数之间的依赖关系以及太空环境对聚变能在未来火星探测等深空探测任务中的影响,以一种线性聚变约束概念气动磁镜作为聚变空间推进器的候选方案,并基于气动磁镜聚变空间推进器的物理基础和磁喷嘴系统部分推进性能计算模型,初步分析和设计了气动磁镜聚变空间推进器的性能参数,作为火星探测任务轨道转移优化仿真的输入端参数。在此基础上,利用火星探测任务轨道转移优化仿真程序对气动磁镜聚变空间推进器进行性能验证,理论计算和仿真结果表明基于气动磁镜的聚变空间推进器能够满足未来深空探测载人和货运任务对飞行时间和有效载荷份额的不同需求,是高性能空间推进器的潜在发展方向。本文的总体研究成果能够为后续我国聚变空间推进器的物理发展和工程建造提供重要的理论基础。