Développement d'un propulseur spatial à tuyère magnétique forte puissance

par Simon Peterschmitt

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Jean-Marcel Rax.

Thèses en préparation à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec ONERA/DPHY - Département Physique Instrumentation Environnement Espace (laboratoire) depuis le 03-07-2017 .


  • Résumé

    La propulsion électrique est une technologie de plus en plus importante pour les satellites, du fait du gain en masse embarquée qu'elle procure. Le développement des propulseurs à plasma reste néanmoins complexe, du fait de la richesse de la physique en jeu. L'ONERA développe une nouvelle technologie de propulseur, la technologie ECRA (Electron Cyclotron Resonance Acceleration) qui a plusieurs avantages significatifs par rapport aux technologies matures (propulseurs à effet Hall, propulseurs à grille) du fait de sa simplicité et de la topologie du champ magnétique utilisé. Des études théoriques et expérimentales sont en cours à l'ONERA, et des résultats encourageants ont déjà été obtenus. Mais beaucoup de paramètres restent encore à explorer, et un code prédictif doit être développé. Une des difficultés est la complexité de la physique en jeu. L'autre est la difficulté des mesures expérimentales sur ce type de propulseur. Cette thèse a pour but d'effectuer une avancée significative sur le développement du propulseur, basée sur une étude expérimentale et une modélisation fluide simplifiée du propulseur, afin d'obtenir une compréhension complète de la technologie et de son potentiel. On s'attachera notamment à examiner et comprendre les effets de la topologie du champ magnétique, de la forme du propulseur, de sa taille des matériaux du propulseur, de type de couplage micro-onde, de la stratégie d'injection de gaz et de la nature du gaz (xenon, krypton, oxygene, iode…) sur les performances obtenues. On travaillera notemment sur des prototypes plus puissants (~200 W) que ceux testés actuellement (~30W). La puissance actuellement utilisée n'est que de 30W, mais chercher des plus hautes puissances permettra à la fois de se rapprocher des applications, et aussi d'augmenter les performances du propulseur. En effet, plus un propulseur est puissant, plus il est de grande dimension, et plus les effets de diffusion du plasmas aux parois (qui est le phénomène physique limitant l'efficacité du propulseur) sont faibles.

  • Titre traduit

    Development of a high power magnetic nozzle ECR space propulsion system


  • Résumé

    Electric propulsion is a technology of increasing importance for satellites due to the weight gain it provides. The development of plasma thrusters is nonetheless complex because of the richness of the physics involved. ONERA is developing a new technology of thrusters: the Electron Cyclotron Resonance Acceleration (ECRA) technology. It bears several significant advantages compared to mature technologies (Hall Effect Thrusters, Gridded Thrusters) as a result of its simplicity and its magnetic field topology. Ongoing theoretical and experimental studies at ONERA have yielded encouraging results. Nevertheless many parameters are still to be studied and a predictive code is to be developed. The complexity of the physics involved, and the difficulty in performing measurements on this type of thruster, are major hurdles. This PhD thesis aims at taking a significant step towards the development of the thruster and towards the full understanding of the technology and its potential, based on an experimental study and a simplified fluid model of the thruster. Emphasize will placed on examining the effect of the following parameters on the performance of the thruster: magnetic field topology, shape and size of the thruster, materials used for the thruster, type of microwave coupling, gaz injection and nature of the gaz (xenon, krypton, oxygene, iode...). The power of the prototype presently under testing is only 30W. More powerful prototypes (~200W) will be tested. Going towards higher powers will enable to get closer to applications and to increase the performance of the thruster. Indeed, the more powerful is a thrsuter, the bigger it is. Thus the lower is the diffusion to the walls. Diffusion to the wall is the major physical phenomenon limiting the efficiency of the thruster.