近年来,小卫星在深空探测领域的蓬勃发展推动了微推进技术的发展。在多种推进设备中,霍尔推力器因其结构简单、推力密度大、阳极比冲高等优势已经在高功率的空间任务中应用成熟。同样,它在低功率领域的应用也备受期待。然而,传统环形结构的霍尔推力器小型化过程中不仅会使通道面容比增大,而且引起内磁极空间不足,壁面轰击严重,过热,磁饱和等一系列问题,从而严重影响了推力器的各项性能及寿命。圆柱形霍尔推力器,通过将内磁极缩短形成圆柱形放电通道而得名,从而极大的减小了通道面容比,使得壁面侵蚀严重的问题得到了有效缓解。到目前为止,包括美国,日本,韩国,中国在内的多个国家都对该推力器开展了大量的理论和实验研究工作。相比于传统霍尔推力器,圆柱形霍尔推力器具有更高的电离率和更稳定的工作状态。因而,它在低功率领域的应用备受期待。在文献调研中发现,小型圆柱形霍尔推力器普遍存在三方面的共性问题:羽流发散角普遍在60°以上;电子电流大,造成电流利用率低于70%;小型化带来阳极过热的问题,严重影响推力器的稳定工作。事实上,这些问题与推力器内在的电离加速过程密切相关。至今为止,关于圆柱形霍尔推力器中电离加速特性仍缺乏清晰的认知。主要的电离加速区域边界模糊,致使推力器设计及性能研究一直停留在一些零散的方向,始终未形成统一的推力器结构设计体系。基于以上问题,本文从构成推力器的电极布局、供气方式、磁场位型这三大要素出发,系统的开展了圆柱形霍尔推力器的构型对放电特性的影响研究。阳极和阴极作为高低电位端,同时又是电子传导的终点和起点,对于电子传导及电场分布具有关键作用。因此,本文首先针对圆柱形霍尔推力器的电极布局展开了理论和实验研究,包括阳极径向位置、阴极位置及阴极触持极电流多个方面。其中,在对阳极径向位置的研究过程中,采用内陶瓷结构作为气体分配器,阳极得以作为单一变量被研究。在此基础上,实验研究发现,在阳极沿径向向外壁面移动过程中,电子经历了更长的传导路程,其传导电流被大幅削弱。同时,离子速度得到显著提升。此外,在对阴极布局的优化设计中,发现阴极触持极电流的增大有助于离子束流的聚焦。其次,中性气体作为电离的直接参与者,在放电通道内的电子传导、电离过程中具有重要的作用。本文通过设计一系列具有不同径向位置气孔的气体分配器以改变气体的径向分布,进而借助于真空实验条件下多种等离子体探针诊断方式对推力器的电子传导、电离加速过程开展了较全面研究。研究表明,电离区位置可以通过供气位置进行调控,将气孔位置沿径向移至外壁面附近时,促使电离区向高电位的阳极一侧移动,同时有助于加速区从电离区中分离,从而产生更聚焦的羽流和更高的离子能量。该研究给圆柱形霍尔推力器的供气方式设计提供了一个独特的视角。再次,小型化的圆柱形霍尔推力器内阳极过热往往是限制推力器稳定工作的重要因素,这个问题主要归因于近阳极区的强磁场,它会促使阳极附近产生大的电势降,加剧高能的电子对阳极表面的轰击。因此,本文首次尝试通过削弱近阳极区磁场的办法以降低阳极表面热功耗,提升推力器效率。在研究过程中,基于圆柱形霍尔推力器磁场显著的二维属性提出了两种削弱近阳极区磁场的方案:一种是通过在阳极和内磁极之间增加磁屏的办法削弱近阳极区磁场。研究结果显示,电子密度沿径向扩展促进了电离过程,使得整体性能有一定提升。但是,由于磁屏方案对近阳极区磁场的削弱程度有限,阳极过热问题并未得到显著改善,推力器在高压下工作仍难以实现。在这种情况下,本文提出在阳极附近增加反向励磁的新方案以进一步削弱近阳极区磁场,实现了近阳极区零磁点的磁场位型。研究结果发现,阳极表面热功耗有效降低,推力器稳定工作的最高电压达到400V以上,在此基础上,促使推力器离子能量增大,羽流发散角显著减小,整体性能得到大幅提升。最后,基于推力器电极布局、供气方式、近阳极区磁场的研究,本文设计了一个功率100～300 W,通道直径3cm的小型圆柱形霍尔推力器,并进行了相关性能的验证。通过推力、阳极效率、比冲等性能测试,并与文献报道的低功率领域多种霍尔推力器进行对比发现,其稳定工作的电压范围更广,从180 V可延伸至420 V;其中,当放电电压在420 V时,比冲可达2000s以上,高于国际上大多数相似尺寸的小型霍尔推力器。