再入航天器和高速空天飞行器面临的通信黑障问题是空天科学技术的前沿课题之一,为了认识和解决该问题,通过构建地面模拟实验装置,对其进行实验研究已成为一种重要的研究手段。通信黑障问题地面模拟实验研究的关键技术之一是产生与实际环境可比拟的密度高、电子温度低、碰撞强、热焓值高的亚波长特征参数等离子体鞘套,哈尔滨工业大学“临近空间等离子体环境模拟与研究系统”使用级联电弧等离子体源实现这一目标。为了更加精确地模拟真实的亚波长等离子体,进而在实验室研究黑障问题的物理过程及其缓解措施,本文将依托实验平台对级联电弧等离子体源的工作特性进行系统研究,主要内容分为以下几个方面:针对等离子体源产生的等离子体束流与下游钝体的相互作用,建立描述非平衡态等离子体输运过程的数学物理模型,在计算流体力学软件Fluent中进行模拟,采用正交试验法研究等离子体源喷口处等离子体的状态及环境因素对钝体包覆特性的关系和影响规律,明确影响等离子体对钝体包覆特性的关键参量,为临近空间等离子体参数的定向调控提供依据。针对实验所需测量的等离子体关键参数,构建包括光谱、朗缪尔探针和图像采集等多种方式的诊断系统。为了实现光谱的空间分辨诊断,基于光谱诊断仪器及等离子体放电实验平台,设计并搭建针对光纤探头的二维运动平台和视场光阑。为实现等离子体束流电子密度、电子温度的径向逐点诊断,设计制作朗缪尔探针,使用伺服电机和丝杠模组实现探针的一维运动,设计数据发生、采集电路,编写Lab VIEW程序,实现对探针电信号的采集、处理和等离子体参数的评估。此外,为观察等离子体束流的形态和尺寸参数,将构建图像采集平台。基于诊断系统对级联电弧等离子体源的工作特性进行实验研究。探索等离子体真空室内的压强与进气流量的关系,寻找可使电弧源正常工作的放电工况范围。在不同工况下,开展电弧源放电实验,诊断相应的电子密度、电子温度和束流直径。分析电弧源电流、真空室背景气压、进气流量对电子密度、电子温度和束流直径的影响,以及等离子体参数在束流轴向和径向的分布关系,进一步确立它们对等离子体参数的调控规律。本文从数值仿真和实验诊断两个角度研究了级联电弧等离子体源的工作特性,明确了等离子体源的理想工作范围,确立了不同因素对等离子体参数分布规律的影响关系,评估了不同外施参量对等离子体参数影响的重要程度,为电弧源的设计和优化以及在临近空间等离子体模拟环境中调控等离子体参数提供了理论指导和数据支撑。