Investigation de l'iode comme propergol pour la propulsion ionique à grilles

Iodine as a propellant for electric gridded propulsion systems

• Auteur / Autrice : Pascaline Grondein
• Direction : Ane Aanesland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 26/09/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Despiau-Pujo, Denis Packan, Agnès Maître
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jón Tómas Guðmundsson, Serge Barral

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Iode

Propulsion électrique

Mots clés libres

Plasma

Propulsion

Iode

PEGASES

Modèle global

Expérimental

Electric propulsion

Iodine

Xenon

Résumé

Le xénon est utilisé par la plupart des systèmes de propulsion électrique à grilles. Cependant sa rareté, son coût de production important ainsi que son usage dans de nombreuses applications industrielles font apparaître la nécessité de trouver une alternative à ce propergol. Il est apparu que l'iode était un candidat potentiel pour cela, étant beaucoup moins cher à produire et beaucoup moins rare. Il se présente sous forme de cristaux violacés dans les conditions standards de pression et de température et possède une pression de vaporisation peu élevée ainsi qu'un potentiel d'ionisation plus bas que celui du xénon. Un modèle global d'un plasma d'iode dans un propulseur électrique à grilles a donc été développé afin d'étudier le comportement et les performances d'un tel dispositif. Ces résultats de l'iode sont comparés à ceux du même dispositif obtenus par l'utilisation du xénon, les conditions d'opération étant bien évidemment similaires. Le modèle prédit une efficacité globale du propulseur 15% plus grande pour l'iode. Les résultats du modèle global en iode sont également comparés avec des résultats expérimentaux obtenus dans un propulseur électrique à grilles, sous des conditions d'opération et paramètres d'entrée similaires. Un band d'essai expérimental entièrement dédié à l'étude de l'iode comme nouveau propergol pour la propulsion à grilles a en effet été assemblé avec toutes les précautions nécessaires, l'iode étant un élément corrosif et chimiquement actif avec certains matériaux. Le banc d'essai en iode fut également utilisé pour effectuer la preuve de concept en iode du propulseur PEGASES.

Most state-of-the-art electric space propulsion systems such as gridded and Hall thrusters use xenon as the propellant gas. However, xenon is rare, expensive to produce and used in a number of competing industrial applications. Alternatives to xenon are currently being investigated, and iodine has emerged as a potential candidate. Its lower cost, larger availability, its solid state at standard temperature and pressure, its low vapour pressure and its low ionization potential makes it an attractive option. A global model of iodine plasma inside an ion gridded thruster has therefore been developed to study behaviour and performances of this propellant. We compared the iodine results with ones obtained in xenon under otherwise similar conditions. The model predicts a thruster efficiency 15% higher for iodine compared to xenon. Results of the iodine global model were compared with experimental data obtained under similar operating conditions and input parameters in a gridded ion thruster. An experimental test bench dedicated to iodine plasma study, inside a classic ion gridded thruster and PEGASES thruster, has been assembled with all precautions needed. Iodine is a corrosive gas and chemically active with certain metals and the right choice of materials is therefore important. The positive ion and electron densities obtained by the model and in experiments appeared to show close values, indicating that the iodine chemistry and reaction set used in the global model seem relevant to a first order approximation.