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Propulseur à courant de Hall double étage à source RF inductive – Étude expérimentale du fonctionnement et des instabilités basses fréquences

par Laurence Laffont - publié le , mis à jour le

La soutenance de thèse d’Alexandre GUGLIELMI intitulée « Propulseur à courant de Hall double étage à source RF inductive – Étude expérimentale du fonctionnement et des instabilités basses fréquences » aura lieu le 26 novembre 2020 à 15h dans l’Amphithéâtre Le Chatelier - bâtiment 2A de l’Université Paul SABATIER.

Les travaux de thèse ont été encadrés par Freddy Gaboriau et Jean-Pierre Boeuf, ainsi que par des intervenants du CNES, Claude Boniface et Alberto Rossi.

Jury :
M. Jean-Pierre BOEUF - Université Toulouse III - Paul Sabatier - Directeur de thèse
Mme Sedina TSIKATA - Laboratoire ICARE – CNRS UPR 3021 - Rapporteure
M. Gilles CARTRY- Laboratoire PIIM UMR 7345 - Rapporteur
M. Freddy GABORIAU - Université Toulouse III - Paul Sabatier - Co-directeur de thèse
M. Olivier PASCAL - Université Toulouse III - Paul Sabatier - Examinateur
M. Stéphane MAZOUFFRE - Laboratoire ICARE – CNRS UPR 3021 - Examinateur
M. Alberto ROSSI - CNES - Invité

Lien YouTube Live : https://youtu.be/3LalRdUzAsU .

Résumé :
Contrairement aux propulseurs chimiques servant à la mise à poste, les propulseurs électriques à courant de Hall sont des moteurs de petite taille utilisés pour le maintien à poste des satellites, le changement d’orbite et les missions interplanétaires. Souvent caractérisés par de faibles poussées, ils ont l’avantage d’avoir une vitesse d’éjection et une impulsion spécifique très importantes. Le principe de fonctionnement est basé sur l’ionisation d’un gaz rare (Xe, Kr) par une différence de potentiel appliquée au travers d’une barrière magnétique. La conductivité électronique localement plus faible dans la barrière conduit à créer un champ électrique dans cette région. Les ions sont alors soumis à ce champ et sont donc accélérés à des vitesses pouvant dépasser plusieurs dizaines de km/s. Le champ électrique au niveau de cette barrière est alors responsable de l’accélération des ions et donc, simultanément, de la poussée et de l’impulsion spécifique.
Afin de pouvoir agir indépendamment sur ces deux derniers paramètres, un propulseur de Hall double étage (ID-Hall, Inductive Double stage HALL thruster)) a été développé.
Le premier étage est l’étage d’ionisation, constitué d’une source plasma indépendante à couplage inductif, et le second étage est l’étage d’accélération constitué de la barrière. À partir de différents outils de mesures (sonde de flux ionique, analyseur à champ retardateur, caméra haute vitesse, sondes courant-tension, ...) et d’un modèle numérique (HALLIS), nous avons pu caractériser le plasma, ses instabilités, et les performances du propulseur.
Malgré la cartographie magnétique singulière de ce propulseur, les caractéristiques en fonctionnement simple étage sont comparables à celles des propulseurs à courant de Hall classiques. En fonctionnement double étage, la source RF affecte de manière significative le transport des électrons dans le propulseur. De plus, d’autres résultats en double étage montrent qu’à basses tensions de décharge, le courant de décharge est inférieur à celui en simple étage. L’énergie des ions extraits est plus élevée en double étage et le courant d’ion présente une diminution avec l’augmentation de la puissance RF mais reste proche de celui en simple étage.
Cette étude a été réalisée en Xénon et en Argon. Des oscillations basses fréquences de grandes amplitudes (Breathing Mode) ont été observées expérimentalement, analysées par sonde résolue en temps et comparées à des résultats obtenus par le modèle. D’autres instabilités azimutales (Rotating Spokes) ont aussi été mises en évidence ainsi qu’étudiées électriquement et par imagerie. Dès lors que la source est active, à faible puissance RF, ces précédentes instabilités sont fortement atténuées, alors qu’a plus forte puissance, d’autres instabilités azimutales apparaissent (Striations). Ces dernières instabilités ont aussi été étudiées autour de la source seule, par imagerie dans différents gaz et à l’aide d’un modèle particuliaire PIC-MCC.

Mots-clés :
Propulsion, Plasma, Double-étage, Diagnostic, Modélisation, Instabilités