霍尔推力器是一种具有高效率、高比冲、长寿命等优点的电推进装置。霍尔推力器在工作过程中,其尾部会形成等离子体羽流。由于羽流中包含了大量的带电粒子,其在空间中的扩散会影响航天器所处的电磁场环境,同时产生的高能离子会打到航天器表面,对航天器表面造成力矩、热沉积、侵蚀等影响。因此,有必要对霍尔推力器羽流进行系统的研究工作。针对霍尔推力器的羽流研究主要包括地面试验、在轨试验和数值模拟三种手段。地面试验测量受实验环境的影响较大,而在轨试验的成本相对较高。所以目前较多采用数值模拟方法,同时结合试验结果进行综合分析。根据研究问题的不同,羽流模拟研究分为近场羽流模拟和远场羽流模拟。近些年羽流计算模型随着推力器研究的深入和羽流问题研究的发展逐渐得到提升和优化。但是目前计算模型方面依旧存在一定的局限性,主要体现在目前的近场羽流模型无法考察阴极位置,羽流成分考察方面缺少对侵蚀产物的研究,以及远场羽流模型中推力器出口边界依赖实验的结果等。因此,有必要进一步完善羽流计算模型。本文基于以上研究背景,首先开展计算模型的完善工作,并在此基础上针对近场羽流和远场羽流存在的问题开展系统的研究工作。由于模拟尺寸跨度太大,无法采用单一的数值模拟代码实现对推力器和远场羽流的整体模拟。因此羽流的模拟研究需要对近场羽流和远场羽流分别建模。本文针对近场羽流模拟采用全粒子模拟方法,远场羽流模拟采用混合模拟方法。然后根据近场羽流模拟中阴极位置研究的需求,对阴极边界模型进行了优化,并提出了混合阴极边界模型。同时,本文通过采用近场羽流模拟的羽流模拟结果代替实验结果作为远场羽流模拟的推力器出口边界拓展了模型的适用性,并针对羽流外边界的位置的选择和准确性进行了验证。磁场和电场的优化设计是对推力器羽流进行束流控制的重要手段。本文针对羽流区内电磁场的束流控制开展了模拟研究。针对磁场方面,以往的研究表明羽流区磁场和阴极之间存在匹配问题。因此,本文首先从阴极和磁场的位置关系入手,考察磁场对电子运动,电子传导等方面的影响。针对内外置阴极条件下磁场对参数分布影响的模拟研究发现,阴极发射出的电子进入羽流区后会被磁场束缚,从而形成虚阴极。内外置阴极条件下的放电差异主要与虚阴极形成的位置有关。针对阴极位于磁分界面内外条件下的参数分布模拟研究发现,阴极位于磁分界面内外,羽流区上方磁分界面附近存在明显的电子传导差异。结合电子的运动轨迹发现,电子传导差异的形成主要受磁极上磁尖端的影响。同时,通过对不同外置阴极条件下的推力和羽流发散角进行比较发现,磁分界面的存在可以有效的抑制羽流的发散,这种磁场的设计可以应用于羽流的束流控制。在此基础上,本文进一步考察了磁分界面的位置和角度因素对束流控制的影响。研究结果表明,磁分界面适当地向通道方向偏转的设计方案可以有效地降低羽流发散角,同时提升推力器性能。针对电场的束流控制研究方面,本文对羽流区附加电极对放电的影响进行了模拟研究。研究结果表明,附加电极的存在可以有效地抑制离子的径向扩散。同时附加电极的存在会提升附近区域的电势,造成外磁极上的离子轰击增强。侵蚀问题是霍尔推力器研究中的一个重要内容。以往的侵蚀研究主要集中在寿命问题的研究上,针对侵蚀产物在羽流中的污染研究较少。并且侵蚀产物由于其占比较低在实验方面很难检测,因此有必要对侵蚀产物进行模拟研究。本文在以往的研究基础上对侵蚀产物的运动开展了模拟研究。本文首先在近场羽流计算模型中补充了侵蚀模型,侵蚀产物的运动和碰撞模型,从而使近场羽流计算模型具备模拟侵蚀产物的能力。并在此基础上分别模拟分析了中性气体轴向速度和径向供气位置变化对壁面侵蚀的影响。研究结果表明,中性气体轴向速度的降低,会造成壁面侵蚀的增强。供气位置的改变会导致通道内中性气体径向分布的不均匀,同时会影响内外壁面上的角度溅射系数和能量溅射系数的分布,对壁面侵蚀的范围和强度都会造成明显影响。通过对侵蚀产物的运动和碰撞的模拟发现,B原子的分布主要位于推力器出口位置,这与该位置侵蚀速率较大相对应,并且其密度较Xe+离子低3个数量级。B+离子的峰值主要位于推力器出口中间位置,其密度较B原子低1个数量级。同时,B+离子在羽流区的发散程度较Xe+离子高。最后,本文对典型航天器模型下的羽流污染问题进行了模拟。将近场羽流模拟中的计算结果作为本章的推力器出口边界条件,并在三维建模中,考虑了两种不同的推力器安装角度。通过远场羽流模拟,比较分析了不同羽流发散角下的霍尔推力器羽流对航天器的污染情况。研究结果表明,不同推力器安装角度的改变对航天器的污染情况有显著的影响。推力器的束流离子的空间分布相对集中,而返流离子会向着周围环境扩散。合理的设计安装角度可以有效避免束流离子对航天器和太阳能电池板的冲刷。通过对太阳能电池板上的力矩、热沉积、侵蚀等效应评估发现,羽流对太阳能电池板造成的力矩和热沉积的影响都比较小。B+离子的沉积速率在10-12m/kh量级,较Xe+离子的侵蚀速率低约6个数量级,侵蚀产物对航天器的污染影响相对较小。