霍尔推力器是国际上电推应用技术最成熟的电推进系统之一,由于近些年大力发展霍尔推力器,其工质氙气不仅面临资源减少,并且价格大幅提高,使得霍尔推力器成本随之上升。为了解决工质问题,特选取物理性质与氙气相近氪气作为替代工质。相较于氙工质,氪工质不仅储量丰富价格低廉,而且其理论比冲高于氙工质,但是其电离性能较差并且推力器热问题严重,尤其低功率更加重了这些问题,因此研究低功率氪工质霍尔推力器的充分电离优化及热结构优化具有重大意义。本文首先分析了低功率氪工质霍尔推力器电离率较低的原因,并从电离区延长问题、电子电流比率增加问题进一步分析其对电离率的影响。然后分别从基于提高氪气密度和基于提高碰撞频率两方面进行电离优化,以275V放电电压、30sccm工质流量的工况为例,运用PIC仿真模拟计算,发现从以上两方面优化后,电离率分别提升了5%和25%。其次从推力器主要热源——壁面热量沉积入手优化热问题。首先将壁面热量沉积分为壁面电子热流和壁面离子热流,并分别从入射通量和入射能量入手分析其随工质流量和放电电压的变化特性。根据其特性,分别对壁面电子热流和壁面离子热流进行优化,并验证优化措施对降低壁面热量沉积的有效性。然后从散热结构方面入手优化热问题。首先利用ANSYS热稳态模块对原推力器两大热源——阳极和壁面热流对推力器热量的贡献和推力器达到热稳态后整体温度进行模拟计算,并对其导热路径进行了仿真模拟。然后针对散热问题,设计新的推力器结构有效地降低推力器的热问题并进行了实验验证。最后主要验证新推力器的性能。结合前几章的内容对原推力器进行了改进,使之更符合低功率氪工质。首先利用ANSYS对其进行了正弦振动考核、随机振动考核和冲击考核等力学仿真,结果表明推力器符合航天任务的工程要求。然后分别进行放电性能及工作稳定性测试对比,实验显示推力器改进后,各方面性能都有所提高。