Academic literature on the topic 'Propulsion à effet Hall'

Un des grands défis de l'exploration spatiale est de développer des engins spatiaux capables de parcourir de grandes distances avec le moins de carburant possible. Les propulseurs électriques, comme par exemple le propulseur à effet Hall, permet cela grâce à des vitesses d'éjection très élevées. J'ai cherché à comprendre pendant ma thèse la physique du fonctionnement de ces moteurs, en utilisant des modèles numériques et des diagnostics adaptés. Mon groupe d'accueil travaille depuis une dizaine d'années sur la modélisation hybride de ces moteurs. Pourtant la description fluide des électrons dans ce type de modèle pose encore un certain nombre de problèmes. Le premier, lié à la résolution des équations fluides en 2D, a été résolu grâce à un nouvel algorithme de résolution. Celui-ci nous permet désormais de modéliser plus facilement des moteurs à champ magnétique complexe. Le deuxième concerne la description du transport électronique, mal connu dans la configuration de ces moteurs. Une étude approfondie des résultats d'un modèle particulaire dans les directions axiale et azimutale m'a permis de montrer clairement l'influence d'une onde azimutale de champ électrique, présente dans le moteur, sur le transport électronique. L'étude de mesures expérimentales par spectroscopie laser m'a aussi permis de développer une nouvelle méthode capable d'extraire de ces mesures le profil du champ électrique et du terme source d'ionisation dans le moteur. La comparaison de ces mesures aux résultats du modèle hybride a mis en évidence les limites de la description du transport électronique utilisée jusque-là. Elle a aussi permis de définir une voie possible vers l'amélioration de notre modèle<br>One of the greatest challenges in space exploration is to develop spacecrafts capable of covering great distances with little fuel. Electric thrusters, among which is the Hall effect thruster, are capable of this thanks to their high exhaust velocity. During my PhD, I have tried to understand the physics involved in these thrusters, by means of numerical models and accurate diagnostics. My hosting group has been working on hybrid modeling of these thrusters for about ten years. However, the electron fluid description in such models is still a challenge. One of the problems of the fluid model is the difficulty of solving the fluid equations in 2D. This first problem has been overcome by using a new algorithm. This algorithm makes it now easier to study thrusters with complex magnetic fields. The second problem concerns electron transport which is not well understood. A deep study of a fully particle model in the axial and azimuthal directions has shown that an azimuthal electric field wave, present in the thruster, enhances the electron transport. Also, I have developed a new method to extract the electric field and ionization term profiles from laser spectroscopy measurements. The comparison between these results and those obtained with our hybrid model shows the limit of the electron transport description used until now. This comparison has also shown a possible path to follow in order to correctly describe the electron transport in hybrid models for Hall effect thrusters

Les propulseurs à effet Hall sont utilisés pour le maintien en poste des satellites géostationnaires. La singularité de ce type de moteur est l'utilisation d'un champ magnétique dont le rôle est de piéger des électrons et de permettre la formation d'une région à fort champ électrique. Les ions formés sont accélérés dans ce champ électrique puis extraits du plasma pour fournir la poussée. La compréhension du transport des électrons à travers les lignes de champ magnétique reste un enjeu crucial pour prédire le fonctionnement du moteur. Plusieurs mécanismes de transport comme les phénomènes collisionnels et la turbulence ont été identifiés mais leur contribution exacte n'a pas encore été élucidée. Sur la base de deux modèles numériques particulaires ("Particle-In-Cell"), composés de schémas de discrétisation des trajectoires explicite et implicite, ce travail de thèse se propose d'analyser le déroulement d'une décharge type afin d'isoler les mécanismes de transport électronique mais aussi, de mieux cerner l'influence de la turbulence plasma sur la nature de la décharge. L'accent est mis sur le caractère fortement instationnaire de celle-ci. Nous étudions aussi un mécanisme de transport particulier, gouverné par la turbulence et les collisions volumiques, à l'aide d'un modèle numérique particule-test<br>Hall effect thrusters are used for station-keeping of satellites in geostationary orbit. The originality of this kind of thruster is the use of a magnetic field which traps the electrons and creates a high electric field region. In this region, the ions are accelerated and extracted from the plasma to provide a thrust. Electron transport across the magnetic field lines is a major issue in predicting the thruster performance. Several transport mechanisms as collision phenomena and plasma turbulence have been identified to play a role but their exact contribution is still not clear. Based on two numerical particle models ("Particle-In-Cell"), composed of an explicit and implicit trajectory-tracking schemes, this work thesis aims at analyzing the proceeding of a discharge in order to isolate the transport mechanisms of electrons. It also aims at providing a better understanding of the plasma turbulence on the discharge behavior. We emphasize the strong unstationnary character of the discharge. We also study a particular transport mechanism, governed by turbulence and volumic collisions, using a particle-test numerical model

Après une dizaine d'années de recherche dans le domaine de la modélisation des plasmas froids hors-équilibre, j'ai souhaité synthétiser les principaux résultats obtenus durant cette période dans le domaine de la propulsion à plasma en vue de l'obtention de mon Habilitation à Diriger des Recherches. Je présente également dans ce document quelques pistes intéressantes à investiguer dans le domaine de la propulsion à plasma au sens large. J'ai choisi de diviser le document en trois parties distinctes, la première synthétise mes activités de recherche et présente les grandes lignes de mon projet de recherche, la seconde regroupe un certain nombre d'informations complémentaires me concernant, la dernière regroupe les publications les plus significatives. Je tiens à exprimer ma plus profonde gratitude à tous les étudiants dont j'ai encadrés les travaux de recherche ainsi qu'à l'ensemble de mes collègues pour toutes les discussions fructueuses et conseils prodigués tout au long de cette période. Je tiens également à remercier chaleureusement l'ensemble des membres du jury pour avoir examiné mes travaux. Je vous souhaite une bonne lecture !

La propulsion électrique, faisant appel à l'accélération d'ions, est activement développée pour ses applications spatiales. Cette thèse, soutenue par le CNES et la Snecma, porte sur quelques aspects expérimentaux de la physique des propulseurs à effet Hall et sur leur comportement paramétrique. Dans les deux cas, les résultats obtenus ont un intérêt significatif pour le développement des codes numériques. Une mesure de densité par canon à électrons (EIF) a permis de caractériser de manière originale l'injection du gaz propulsif, le xénon. L'analyse détaillée de microinstabilités (5-10 MHz) apporte des données nouvelles sur leurs propriétés et leur impact possible sur les caractéristiques macroscopiques des moteurs. Deux propulseurs ont été étudiés dans une plage étendue d'accélération, à Moscou (RIAME) et à Orléans (PIVOINE). Les résultats suggèrent que ce type de moteurs peut répondre aux demandes de propulseurs électriques à forte accélération.

Les satellites comportent un système de propulsion leur permettant de faire les ajustements de trajectoire nécessaires au respect de l'orbite prévue. Les propulseurs électriques à effet Hall sont une bonne alternative à la propulsion chimique en raison d’une masse réduite d’ergol embarqué. Les propulseurs à effet Hall sont bien adaptés à des missions nécessitant une grande impulsion spécifique et une faible poussée. La poussée délivrée par ces moteurs résulte de la création puis de l’accélération d’ions de xénon dans une décharge électrique à travers une barrière magnétique. L’étude présentée concerne les propriétés des ions dans deux propulseurs à effet Hall de taille différente. Des mesures de la vitesse des ions ont été effectuées par interférométrie de Fabry-Pérot et par spectroscopie laser de manière moyennée et résolue dans le temps. La vitesse des ions étant directement liée au potentiel permettant leur accélération, il a été possible d’étudier l’évolution de ce potentiel et du champ électrique correspondant avec les paramètres du moteur, notamment la tension de décharge et le champ magnétique. Les effets d’oscillations à basse et moyenne fréquences du courant anodique sur la vitesse des ions ont aussi pu être observés. Ces mesures ont montré que les zones dans lesquelles les ions étaient créés et accélérés étaient couplées. Des tendances ont pu être dégagées pour l’évolution du recouvrement de ces zones avec les paramètres du moteur. Des explications à ces phénomènes ont aussi été proposées. Tous les résultats expérimentaux présentés ont aussi pour but de contribuer au développement de modèles théoriques simulant le comportement d’un propulseur à effet Hall.

Ces dernières années, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a augmenté de manière exponentielle. Grâce à leur faible consommation en carburant, de plus en plus de propulseurs électriques sont utilisés à bord de ces satellites, notamment le propulseur à effet Hall qui est l’un des plus efficaces. De la diversité des applications découle le besoin d’avoir des propulseurs de taille et puissance variables. Cependant, la physique des propulseurs à effet Hall est encore méconnue et les nouveaux designs se font de manière empirique, avec un développement long et coûteux, pour un résultat final limité. Pour pallier ce problème, des codes de simulation peuvent être utilisés mais une meilleure compréhension des phénomènes clés est alors nécessaire, plus particulièrement du transport anormal des électrons qui doit être pris en compte de manière auto-consistante pour pouvoir capturer totalement le comportement de la décharge. Ce transport étant relié à l’instabilité azimutale de dérive électronique, un code 2D particulaire existant a été amélioré pour pouvoir simuler cette direction azimutale mais aussi la direction axiale. Avant d’analyser le comportement de la décharge, ce code a été vérifié sur un cas de benchmark, avec 6 autres codes particulaires développés par différents groupes de recherches internationaux. Ce cas simplifié a été ensuite utilisé pour vérifier de manière intensive un développement analytique pour estimer la force de friction électron-ion, qui est le témoin de la contribution des instabilités azimutales sur le transport anormal. Puis, la dynamique des neutres a été rajoutée pour capturer de manière auto-consistante le comportement de la décharge. Une technique artificielle de loi d’échelle a été adoptée, avec une augmentation de la permittivité du vide, pour alléger les contraintes de stabilité du code particulaire et accélérer les simulations. Grâce à une parallélisation du code efficace, ce facteur artificiel a été réduit de manière significative, se rapprochant ainsi d’un cas proche de la réalité. La force de friction électron-ion a été observée comme étant celle qui contribuait le plus au transport anormal durant les oscillation basse-fréquence du mode de respiration. Pour finir, l’interaction complexe entre le mode de respiration, l’instabilité de transit des ions et l’instabilité de dérive électronique a aussi été étudiée, avec la formation de structures azimutales à grande longueur d’onde, associées à un plus grand transport anormal<br>In the last decade, the number of satellites orbiting around Earth has grown exponentially. Thanks to their low propellant consumption, more and more electric thrusters are now used aboard these satellites, with the Hall thrusters being one of the most efficient. From the diversity of applications stems the need of widening the thruster power capabilities. However, due to a lack of knowledge on Hall thruster physics, this scaling is currently done empirically, which limits the efficiency of the newly developed thrusters and increases the development time and cost. To overcome this issue, numerical models can be used but a deeper understanding on key phenomena is still needed, more specifically on the electron anomalous transport which should be self-consistently accounted for to properly capture the discharge behaviour.As this transport is related to the azimuthal electron drift instability, an existing 2D Particle-In-Cell code was further developed to simulate this azimuthal direction along with the axial direction in which the ions are accelerated, producing the thrust. Prior to analyse the discharge behaviour, this code has been verified on a benchmark case, with 6 other PIC codes developed in different international research groups. This simplified case was later used to stress-test previous analytical developments to approximate the instability-enhanced electron-ion friction force which represents the contribution of the azimuthal instabilities to the anomalous transport. Then, the neutral dynamics has been included to capture the full self-consistent behaviour of the discharge. We used an artificial scaling technique, increasing the vacuum permittivity, to relax the PIC stability constraints and speed-up the simulations. Thanks to an efficient code parallelisation, we managed to reduce this scaling factor to a small value, hence simulating a case close to reality. The electron-ion friction force was found to be the main contributor to the anomalous transport throughout the whole low-frequency breathing mode oscillations. Finally, the complex interaction between the breathing mode, the ion-transit time instabilities and the azimuthal electron drift instabilities has been studied, with the formation of long-wavelength structures associated with an enhanced anomalous transport

Les propulseurs de Hall sont l’une des techniques de propulsion fusée par plasma les plus utilisés. Ils possèdent une impulsion spécifique moyenne et un haut rapport poussé sur puissance qui les rend idéal pour une grande partie des applications commerciales et scientifiques. Une de leurs limitations principales est l’érosion des parois du propulseur par le plasma qui réduit leur durée de vie. La topologie dite “d’écrantage magnétique” est une solution proposée pour prolonger cette durée de vie. Elle est ici appliquée à un petit propulseur de Hall de 200W. Dans cette thèse les règles de mise à l’échelle pour les propulseurs de Hall de la gamme de 100 à 200W sont testées expérimentalement. Un propulseur écranté de 200W est comparé avec un propulseur standard similaire. Le comportement des ions dans ces deux moteurs est extrêmement différent. Des mesures de performance ont été réalisées avec des parois en BN-SiO2 et graphite. Le courant de décharge augmente de 25% avec le graphite dans le propulseur non-écranté. Le résultat et un rendement maximum de 38% avec le nitrure de bore mais de seulement 31% pour le graphite. Le propulseur écranté quant à lui n’atteint que 25% de rendement quel que soit le matériau.Cette baisse de performance dans les petits moteurs écrantés peut être attribuée à un mauvais rendement d’utilisation de l’ergol. Analyses des résultats expérimentaux ainsi que la conduite de simulations suggèrent que cela est dû au fait que la zone d’ionisation ne couvre pas l’ensemble du canal de décharge. Un nouveau design pour un petit propulseur de Hall écranté est proposé<br>Hall thrusters are one of the most used rocket electric propulsion technology. They combine moderate specific impulse with high thrust to power ratio which makes them ideal for a wide range of practical commercial and scientific applications. One of their limitations is the erosion of the thruster walls which reduces their lifespan.The magnetic shielding topology is a proposed solution to prolong the lifespan. It is implemented on a small200W Hall thruster.In this thesis the scaling of classical unshielded Hall thrusters down to 200 and 100W is discussed. A 200W low power magnetically shielded Hall thruster is compared with an identically sized unshielded one. The ion behavior inside the thruster is measured and significant differences are found across the discharge channel.Both thrusters are tested with classical BN-SiO2 and graphite walls. The magnetically shielded thruster is not sensitive to the material change while the discharge current increase by 25% in the unshielded one. The result is a maximum efficiency of 38% for boron nitride in the unshielded thruster but only 31% with graphite.The shielded thruster achieves a significantly lower efficiency with only 25% efficiency with both materials.Analysis of the experimental results as well as simulations of the thrusters reveal that the performance difference is mostly caused by low propellant utilization. This low propellant utilization comes from the fact that the ionization region doesn’t cover all of the discharge channel. A new magnetically shielded thruster is designed to solve this issue

Les propulseurs à effet Hall sont actuellement considérés comme les plus performants pour le maintien en orbite des satellites géostationnaires et commencent à être utilisés pour la propulsion principale des sondes interplanétaires. L'étude présentée porte sur le plasma allant de la cathode creuse, source d'électrons, au canal de décharge. La cathode a d'abord été étudiée seule sans propulseur pour analyser ses propriétés en montage diode. Son influence sur le comportement d'un propulseur à effet Hall de type SPT-100 a été étudiée avec le moyen d'essais PIVOINE. Les performances globales ainsi que les fluctuations basses fréquences de la décharge ont été analysées au moyen de sondes, d'antennes et par spectroscopie d'émission. Le transport électronique et les fluctuations hautes fréquences du plasma ont été étudiés expérimentalement et analysés par un traitement de signal non linéaire et non stationnaire (Empirical Mode Decomposition).

Les propulseurs plasma à courant de Hall sont aujourd’hui une technologie mature et couramment utilisée dans l’industrie spatiale pour la mise à poste et le contrôle d’orbite de satellites. Malgré cela, la compréhension de la physique régissant le fonctionnement de ces propulseurs et encore lacunaire. Des phénomènes tels que le transport anormal des électrons dans le canal du propulseur ou la dépendance des performances du propulseur au matériau de paroi ne sont pas compris. Par conséquent le développement et la qualification de nouveaux propulseurs passent par de longues études empiriques sans garantie de succès. La compréhension de la physique des plasmas de propulseurs est donc une problématique clé pour permettre le développement et l’amélioration de cette technologie.Cette thèse consiste en la caractérisation par la modélisation et par des mesures expérimentales de l’interaction entre le plasma d’un propulseur à courant de Hall et les parois dudit propulseur. Cette thèse s’est concentrée sur le phénomène d’émission électronique induite par impact d’électrons (i.e. l’émission d’électrons par les parois du propulseur lorsque celle-ci est soumise à un flux incident d’électrons).La thèse s’est déroulée en trois étapes. Dans un premier temps un modèle d’émission électronique adapté au besoin des modélisations particulaires de plasma de propulseur a été développé et validé par comparaison à des données expérimentales réalisées à l’ONERA. Dans un second temps, ce modèle d’émission électronique a été introduit dans une simulation particulaire de plasma de propulseur développé au Laplace et modifié pour les besoins de cette thèse. Enfin une étude paramétrique a été réalisées afin d’évaluer l’influence de l’émission électronique sur le comportement global du plasma de propulseur.La première partie de cette thèse a permis de réaliser la caractérisation de l’émission électronique pour des matériaux représentatifs du canal des propulseurs à courant de Hall (silice et nitrure de bore). Par ailleurs, un travail de mesure et de calibration a été réalisé afin de caractériser le rendement énergétique de l’interaction entre une population d’électrons et une paroi. Ces nouvelles mesures et ce nouveau protocole de mesure ont donné lieu à la publication de deux articles. La seconde partie de cette thèse a permis de réaliser un modèle détaillé d’émission électronique adapté aux contraintes des modélisations particulaire (temps de calcul réduit, dépendance à différents paramètres physiques, etc.). Cette thèse a permis de montrer un impact non-négligeable de l’émission électronique sur le bilan énergétique du propulseur et sur les fonctions de distributions des ions et des électrons dans le plasma ¬du propulseur<br>Nowadays, plasma Hall thrusters are used in space industry for satellites orbit rising and satellites attitude control. Nonetheless, the comprehension their physical functioning remains patchy. Several phenomena such as abnormal electron mobility or the thrusters performance dependency to wall material are still not understood. Consequently the current process to improve and qualify Hall thrusters are involving expansive and time-consuming experimental validation which, in the end, does not ensure the release of an operational thruster. Consequently, plasma behaviour in Hall thruster is a key topic of research, which could lead to non-negligible improvement in Hall thruster technology development.This Ph.D. consists in the modelling and characterization of plasma/wall interaction in Hall thrusters and its impact on Hall thruster’s performance. This Ph.D. has focused on the influence of the electron emission under electron impact on Hall thruster’s performances. It has been divided into three parts. Firstly, an experimental investigation has been carried out in order to obtain reference data on materials commonly used as plasma thruster wall (bore nitride and silicon dioxide). A literature review has been made in order to find a theoretical basis fitted to the elaboration of an electron emission model fitting the requirement of a particle in cell simulation of a Hall thruster. In second part, a detailed electron emission model based on this literature review and validated by comparison to experimental data and to a Monte-Carlo model developed in ONERA (called OSMOSEE) has been developed. This model offers the possibility to describe electron emission yield, angular and energy distribution of emitted electrons depending on various physical parameters (e.g. incident electron energy, incident electron angle, impinged material, etc.). Besides, as it is an analytical model, it computes in a reduced time (a few minutes to one hour). In a third and last part, this electron emission model has been implemented in a Particle-In-Cell (PIC) simulation of Hall thruster’s plasma and a parametric study has been carried out in order to characterize the influence of electron emission phenomenon on global plasma behaviour. This parametric study has shown that electron emission has a non-negligible impact on energy balance at plasma/wall interface and on electron distribution function in the plasma, which can’t be considered as Maxwellian