等离子体近几十年来被广泛应用于航空领域，如高超声速飞行器的流动控制、磁流体发电及加速、等离子体点火及加强燃烧等，以及用于空间探测器的等离子推进等方面。国内外众多学者对此进行了大量的理论与实验研究，但由于等离子体是复杂的第四种物质形态，目前仍然存在电离、复合机理不够明确，电场、磁场及流场之间的复杂耦合效应及干扰严重等问题，解决这些问题对高超声速飞行器性能和空间探测推进系统性能的提升具有重要的意义。本文主要利用数值模拟，按照等离子体的电离程度由弱到强的顺序依次对等离子体在电推进和发电等方面的应用进行了分析与优化。
一、磁帆是一种具有代表性和发展潜力的空间推进技术，它主要利用太阳风弱等离子体作为推进工质。由于空间中的太阳风等离子体参数变化频繁，因此本文数值研究了不同参数的稀薄太阳风等离子体对磁帆推进性能的影响，并利用已有的实验研究结果对数值计算进行了验证。与实验中相同参数的数值计算结果显示磁腔半径约为0.14 m，与实验测试结果0.15 m 基本一致。由磁矩6.18×10-3 T 及离子拉莫半径约为0.038 m 计算得到推力系数为3.53，推力约为6.61 N。在相同的磁场条件下，当太阳风速度从30 km/s 增大至75 km/s，磁腔的大小随等离子体动压的增大而减小，推力从3.385 N 增加至10.1 N；相同速度的太阳离子风的电导率从2000 /Ωm 增加到3000 /Ωm 和4000 /Ωm 时，作用于磁帆的推力从6.61 N 分别增大至8.92 N 和12.26 N。
二、研究由电离空气得到的弱等离子体电加速应用中发现当外加电场持续增加至临界值反而会削弱加速效果，原因是因为外加电势增大引起的焦耳热效应增强导致静温升高会导致静压升高，静压升高幅度较大而引起的MHD 压缩效应使得大电场通道中的等离子体速度下降。因此首先从增加外加电势方面分析了弱电离等离子体在法拉第型加速通道中的加速与电离特性。除了增大外加电势外也可增大外加磁场强度的方式提高出口速度，我们发现随着磁场强度由1 T增加6 T 沿通道中心线Y 方向电流密度不断下降，且电流线发生偏转。感生电势逐渐增加使得电流向通道正Z 与负Z 绝缘面处偏转从而引起洛伦兹力相应发生偏转，削弱加速效果。且通道中的电功率密度 jE逐渐由4.39×108 W/m3减小至1.03×108 W/m3；电磁功率密度u jB随着外加磁场增加而先由1 T 时0.565×108 W/m3 增大至3 T 时最大值（1.16×108 W/m3），而后随着外加磁场的增加而逐渐减小，到6 T 时减小至0.39×108 W/m3；电加速效率 随着磁场强度由1 T增加至5 T 时，先从12.9%升高到49.6%，至6 T 时则下降至37.9%。由于外加磁场强度为3 T和4 T 时的电功率密度和电磁功率密度均高于其余磁场强度时的值，因此其加速性能优于其他磁场强度的加速性能。此外提高等离子体的电导率可以有效提升外加电能的效率，从而提升出口速度。我们通过在高超声速飞行器的发动机燃烧室中加入碱金属碳酸铯盐的方式是提高等离子体电导率的一种较好手段，可以使其由未添加种子前的8~12 /Ωm 增加至275.5~282.5 /Ωm 之间。在外加均匀磁场为2 T 的条件下分别对外加电场强度为4530.95 V/m，5697.99 V/m，6869.41V/m 和8033.63 V/m 的加速效果进行了计算，结果表明随着外加电势的增加，出口速度得到有效提高，增幅分别为5.38%，21.4%，37.76%和50%。当等离子体被加速后，末端电极处的等离子体流速较高，因此会在该区域产生较大的感生电势uB，导致出现反向洛伦兹力而阻碍等离子体流动。为消除反向洛伦兹力出现，通过适当减小磁体的长度等方式来获得强度逐渐衰减的非均匀磁场，从而减小末端电极附近的感生电势提升了通道的加速效果。计算结果发现当限定施加磁场在15 X 310 mm电极区域时加速效果最好的磁体长度为150 mm，其次为长度200mm 的磁体，其中150 mm 的出口速度为2696.8 m/s，200 mm 的出口速度为2659 m/s，均大于均匀磁场条件下的出口速度2612.9 m/s；当施加磁场未限定于电极区域时，磁体长度为150 mm通道的出口速度提升至2700.43 m/s，而磁体长度为200 mm 通道由于受感生电势的影响，其出口速度降至2635.61 m/s。
三、在研究高温强电离等离子体电推进时发现由长磁体产生的均匀磁场中霍尔型磁等离子体推力器（Magneto Plasma Dynamic Thruster, MPDT）通道会产生反向电势，导致推力较低，因此研究了较短磁体产生的非均匀磁场及增加外加电势对磁等离子体推力器性能的影响。相比于均匀磁场，等离子体在非均匀磁场作用下受到的洛伦兹力在流动方向的分量始终为正值，电磁做功始终在增强流体的流动，出口速度由1463 m/s 增加到4033 m/s，推力由4.17 N 增加至12.59N，所以非均匀磁场更适用于霍尔型电磁加速。当施加了非均匀磁场，随着外加电势的增加，通道中焦耳热效应增强，导致静温升高，特别是在阴极区域附近，气体速度由于受到温升以及洛伦兹力的共同作用在阴极附近明显增大，最终出口速度随着外加电势增加而增大，推力由最初的7.95 N 增加至15.23 N。四、最后研究了高温强电离等离子体发电，为减小传统盘式霍尔发电机中切向电流，削弱因切向电流较大造成的负作用，因此提出了由数十片扇形结构组成的新型盘式霍尔发电机，利用大涡模拟（LES）对被拆分成24、36、60、72和90块的盘式发电机的发电性能进行了数值计算研究。结果表明与传统的盘式发电机相比，分块盘式发电通道中等离子体的电离以电子与离子的复合状态为主，所以其电导率在650-1200 /Ωm之间，低于传统盘式发电通道1000-1500 /Ωm电导率，因此分块盘式发电通道的内阻要高于传统盘式发电通道，引起切向电流密度下降从而导致洛伦兹力相应减小，所以径向速度相对增加，引起静压相对减小。低静压有利于提高通道中氩离子与电子复合速率，因此等离子体在分块盘式发电机通道中电离稳定性高于传统盘式发电机。分块的盘式发电机焓提取率可以由原来传统盘式发电机的10.4%提高至最大23.26%，发电效率可由传统盘式发电机的21.8%提高至最大79.97%。当分块角度分别为4、5、6度时的通道发电性能优于其它角度的通道，发电效率分别为78.29%、79.97%和77.09%。随着角度继续增加至10° 和15° 时发电效率分别下降至 时发电效率分别下降至 时发电效率分别下降至 时发电效率分别下降至 时发电效率分别下降至 69.13% 69.13% 和60.77% 60.77% 。
