Plasma discharge 2D modeling of a Hall thruster

par Vivien Croes

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Pascal Chabert et de Anne Bourdon.

Soutenue le 24-10-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Massot.

Le jury était composé de Pascal Chabert, Anne Bourdon, Jean-Claude Adam, Jean-Marc Charbonnier, Stéphan Zurbach.

Les rapporteurs étaient Francesco Taccogna, Miles Turner.

  • Titre traduit

    Modélisation bidimensionnelle de la décharge plasma dans un propulseur de Hall


  • Résumé

    Alors que les applications spatiales prennent une place de plus en plus cruciale dans nos vies, les coûts d'opération des satellites doivent être réduits. Ceci peut être obtenu par l'utilisation de systèmes de propulsion électriques, plus efficients que leurs homologues chimiques traditionnellement utilisés. Une des technologies de propulsion électrique la plus performante et la plus utilisée est le propulseur à effet Hall, toutefois ce système reste complexe et peu compris. En effet de nombreuses questions, concernant le transport anormal des électrons ou les interactions plasma/paroi, sont encore ouvertes.Les réponses à ces questions sont basées sur des mécanismes cinétiques et donc ne peuvent être résolues par des modèles fluides. De plus les caractéristiques géométriques et temporelles de ces mécanismes les rendent difficilement observables expérimentalement. Par conséquent nous avons, pour répondre à ces questions, développé un code cinétique bi-dimensionnel.Grâce à un modèle simplifié de propulseur à effet Hall, nous avons observé l'importance de l'instabilité de dérive électronique pour le transport anormal. Ensuite en utilisant un modèle réaliste de propulseur, nous avons pu étudier les effets des interactions plasma/paroi sur la décharge plasma. Nous avons également pu quantifier les effets intriqués des émissions électroniques secondaires et de l'instabilité de dérive sur le transport anormal. Par une étude paramétrique sur les émissions électroniques secondaires, nous avons pu identifier trois régimes de décharge plasma. Finalement l'impact des ergols alternatifs a pu être étudié en utilisant des processus collisionnels réalistes.


  • Résumé

    As space applications are increasingly crucial in our daily life, satellite operating costs need to be decreased. This can be achieved through the use of cost efficient electric propulsion systems. One of the most successful and competitive electric propulsion system is the Hall effect thruster, but this system is characterized by its complexity and remains poorly understood. Indeed some key questions, concerning electron anomalous transport or plasma/wall interactions, are still to be answered.Answers to both questions are based on kinetic mechanisms, and thus cannot be solved with fluid models. Furthermore the temporal and geometrical scales of these mechanisms make them difficult to be experimentally measured. Consequently we chose, in order to answer those questions, to develop a bi-dimensional fully kinetic simulation tool.Using a simplified simulation of the Hall effect thruster, we observed the importance of the azimuthal electron drift instability for anomalous cross-field electron transport. Then, using a realistic model of a Hall effect thruster, we were able to study the effects of plasma/wall interactions on the plasma discharge characteristics, as well as to quantify the coupled effects of secondary electron emission and electron drift instability on the anomalous transport. Through parametric study of secondary electron emission, three plasma discharge regimes were identified. Finally the impact of alternative propellants was studied.


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