近年来,电推力器逐渐成为在轨航天任务的主要推力装置,而Kaufman型离子推力器是目前电推力器中比冲和效率最高的电推力器之一,也是应用最广泛的电推力器之一。但随着Kaufman型离子推力器尺寸和功率的增大,以及结构的变化(如非轴对称结构的环型离子推力器),许多新的问题相继产生并亟待解决,如放电室内等离子体的均匀性变差、栅极使用寿命降低等。由于实验方法成本高、周期长,数值模拟方法已成为研发Kaufman型离子推力器的首选方法。本文以Kaufman型离子推力器放电室、栅极和羽流中的等离子体为具体研究对象,其中又以放电室中的等离子体为核心,采用数值模拟方法展开研究,以期能更深入的了解Kaufman型离子推力器中等离子体的特性,从而辅助其进一步研发。本文的主要研究工作如下:首先,针对放电室中等离子体各向异性的扩散特性发展了一套三维各向异性浸入式有限元(IFE)算法。该算法可以在结构化网格中求解具有复杂界面的等离子体各向异性扩散问题,其不仅具有良好的计算效率、精度和收敛性,而且具有较好的通用性,可同时求解各向异性或各向同性的齐次及非齐次界面问题。其次,基于等离子体双极扩散描述和Particle-in-cell Monte Carlo Collision(PIC-MCC)算法提出了求解放电室控制方程的混合PIC解耦迭代算法,并结合提出的各向异性IFE算法建立了具备较高效率和精度的放电室三维仿真模型。该模型可以对非轴对称结构的放电室进行仿真。而且,得益于混合PIC解耦迭代算法的高计算效率,该模型也具有较高的计算效率。并利用兰州空间物理研究所自主研发的传统Kaufman型离子推力器(LIPS-300)和5k W环型离子推力器的实验结果对该模型进行了验证,结果显示该模型保持了良好的计算精度,可以对放电室的性能进行有效预测。然后,利用所建立的放电室三维仿真模型,对影响放电室出口处等离子体分布特性的相关因素进行了研究,并提出了一种可提高等离子体均匀性的环型离子推力器放电室构型。仿真结果显示:对于传统Kaufman型离子推力器,阴极长度缩短、磁场构型选取四磁极构型时,放电室出口处等离子体的均匀性改善。对于环型离子推力器,增大阴极长度和放电通道宽径比可以改善放电室出口处等离子体的均匀性,但增加磁极个数对等离子体的分布基本没有影响。本文提出的环型离子推力器放电室构型可较好的改善放电室出口处等离子体的均匀性,但其束流等宏观性能还需进一步优化。最后,基于放电室的仿真结果,对多工况下栅极系统的性能和环型离子推力器的羽流特性进行了研究。而且,针对环型离子推力器的非轴对称羽流,本研究还发展了一套三维羽流仿真模型。研究结果表明:放电室出口处等离子体分布的不均匀性会显著影响栅极的寿命,而且在不同的等离子体密度下,加速栅极孔壁腐蚀的机理以及减速栅极对栅极性能的影响也不相同,因此栅极性能的仿真必须考虑放电室出口处等离子体分布的不均匀性;而羽流场对束流离子的初始分布较为敏感,所以环型离子推力器的羽流场同样呈现出非轴对称特性,因此环型离子推力器的羽流仿真需要以三维的放电室仿真结果为基础。本论文研究工作不仅促进了Kaufman型离子推力器仿真算法的发展,同时进一步加深了对Kaufman型离子推力器工作机理及性能限制的理解,为Kaufman型离子推力器下一步设计研发提供了参考和理论支撑。