Scaling laws and electron properties in Hall effect thrusters

par Käthe Dannenmayer

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Mazouffre.

Le président du jury était Thierry Dudok De Wit.

Le jury était composé de Stéphane Mazouffre, Thierry Dudok De Wit, Stéphane Bechu, Eduardo Ahedo, Milan Tichy.

Les rapporteurs étaient Stéphane Bechu, Eduardo Ahedo.

  • Titre traduit

    Lois d’échelle et propriétés électroniques dans les propulseurs à effet Hall


  • Résumé

    Chaque satellite nécessite un système de propulsion pour des corrections d’orbite. Les propulseurs électriques à effet de Hall sont une technologie intéressante pour des applications spatiales. Le grand avantage par rapport à la propulsion chimique est une impulsion spécifique Isp plus élevée, une vitesse d’éjection plus élevée et donc un gain substantiel en termes de consommation de carburant. Dans un propulseur à effet Hall les ions sont créés et accélérés dans une décharge plasma à basse pression dans un champ magnétique. La première partie de ce travail concerne les lois d’échelle pour les propulseurs à effet Hall. Un modèle de dimensionnement semi-empirique basé sur des lois analytiques et reposant sur des hypothèses simplificatrices a été développé. Ce modèle de dimensionnement peut être utilisé pour une extrapolation des propulseurs existants afin de répondre aux exigences pour de nouvelles missions. Dans une deuxième étape, l’influence de la largeur du canal sur les performances d’un propulseur est étudiée. Il a été démontré qu’augmenter la largeur du canal conduit à une amélioration de l’efficacité du propulseur. Finalement, les propriétés électroniques ont été mesurées à l’aide de sondes électrostatiques dans la plume de différents propulseurs à effet Hall. Des données expérimentales concernant les propriétés électroniques sont très intéressantes pour la validation des modèles numériques de la plume indispensables pour l’intégration du propulseur sur le satellite. Des mesures moyennées et résolues en temps des propriétés électroniques ont été réalisées pour différents points de fonctionnement du propulseur. Un système de déplacement rapide pour les sondes a été développé afin de pouvoir faire des mesures des propriétés électroniques dans la zone proche du plan de sortie du propulseur.


  • Résumé

    All satellites need a propulsion system for orbit correction maneuvers. Electric Hall effect thrusters are an interesting technology for space applications. The big advantage compared to chemical propulsion devices is the higher specific impulse Isp, a higher ejection speed and thus a substantial gain in terms of propellant consumption. In a Hall effect thruster the ions are created and accelerated in a low pressure discharge plasma in a magnetic field. The first part of the work concerns scaling laws for Hall effect thrusters. A semi-empirical scaling model based on analytical laws and relying on simplifying assumptions is developed. This scaling model can be used to extrapolate existing thruster technologies in order to meet new mission requirements. In a second part, the influence of the channel width on the thruster performance level is investigated. It has been demonstrated that enlarging the channel width of a low power Hall effect thruster leads to an increase in thruster efficiency. Finally, electron properties are measured by means of electrostatic probes in the plume of different Hall effect thrusters. Experimental data on electron properties is of great interest for the validation of numerical plume models that are essential for the integration of the thruster on the satellite. Time-averaged and timeresolved measurements of the electron properties have been carried out for different operating conditions of the thruster. A fast-moving probe system has been developed in order to perform measurements of the electron properties close to the thruster exit plane.


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