Étude des phénomènes de panache des propulseurs ioniques à grille, polarisés en courant continu et en radiofréquence

Investigation of DC and RF biased gridded ion thruster plume phenomena

• Auteur / Autrice : Lui Txai Calvoso habl
• Direction : Pascal Chabert, Trevor Lafleur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Laser et Plasma
• Date : Soutenance le 20/05/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....)
• Jury : Président / Présidente : Erik Johnson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Chabert, Trevor Lafleur, Laurent Garrigues, Aaron Knoll, Sedina Tsikata, Victor Désangles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Garrigues, Aaron Knoll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusées à ions

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Panache de plasma

Expansion de plasma

Radiofréquence

Iode

Propulseur ionique à grille

Plasma plume

Plasma expansion

Radio-Frequency

Iodine

Gridded ion thruster

Résumé

Ces dernières années, deux technologies prometteuses sont apparues pour améliorer les performances et diminuer le coût des propulseurs ioniques, la polarisation RF des grilles d'accélération et l'utilisation de l'iode comme combustible.Ces techniques peuvent représenter une étape technologique importante ; cependant, lors de l'utilisation de l'une ou l'autre de ces techniques, les processus physiques dans la génération du plasma et surtout sur le panache de plasma en aval sont complexes, ce qui a des implications importantes sur les performances du dispositif.L'objectif principal de ce travail était d'élucider la physique du panache de plasma lors de l'utilisation de ces technologies par une approche numérique et expérimentale.Un modèle numérique dédié du panache a été développé pour étudier la polarisation de la grille RF, ce qui a permis de déterminer le comportement de plusieurs phénomènes et d'étendre les travaux numériques précédents.Un prototype utilisant la polarisation de la grille RF a également été étudié expérimentalement. Il a été exploité aux valeurs les plus élevées d'énergie d'accélération et de fréquence à ce jour, démontrant qu'il peut générer un panache bien neutralisé avec des performances acceptables et fournir les données disponibles pour ce type de propulseur.Les expériences ont également montré un excellent accord avec les prédictions numériques et théoriques, ce qui a confirmé à la fois la justesse du modèle développé ici, et les travaux précédents étant une avancée importante vers le développement d'un prototype de vol.Pour l'iode, les caractéristiques du panache et les performances du propulseur sont mesurées et comparées au cas du xénon, montrant des caractéristiques uniques et, dans plusieurs cas, meilleures.Un nouvel instrument automatisé pour déterminer le profil du faisceau d'ions est développé, et pour améliorer la qualité des expériences et augmenter la base de connaissances sur les plasmas d'iode, le rendement d'émission des électrons secondaires des ions d'iode a été mesuré pour la première fois.Pendant les travaux, le propulseur testé a été lancé sur une mission spatiale, ce qui a permis de comparer les résultats au sol et en vol avec un excellent accord.

In recent years, two promising technologies emerged to improve the performance and decrease the cost of ion thrusters; RF biasing of ion acceleration grids and the use of iodine as a propellant.These techniques may represent a significant technological step forward; however, when using either of them, the physical processes in the plasma generation and especially on the downstream plasma plume are intricate, having significant implications on the device's performance.The main goal of this work was to elucidate the physics of the plasma plume when using these technologies through a numerical and experimental approach.A dedicated numerical model of the plume was developed to study RF grid biasing, which allowed a determination of the behavior of several phenomena and the expansion of previous numerical work.A prototype using RF grid biasing was also investigated experimentally, which was operated at the highest values of acceleration energy and frequency to date, demonstrating that it can generate a well-neutralized plume with acceptable performance and provide initial benchmark data available for this type of thruster.The experiments also showed an excellent agreement with the numerical and theoretical predictions, which confirmed both the correctness of the model developed here, and previous works, and being an important advancement towards developing a flight prototype.For iodine, the characteristics of the plume and the thruster performance were measured and compared to xenon, showing unique and, in several cases, better characteristics.A new automated instrument to determine the ion beam profile was developed, and to improve the quality of experiments and increase the knowledge base on iodine plasmas, the secondary electron emission yield of iodine ions was measured for the first time.During this work, the thruster tested was launched onboard a space mission, which permitted a comparison of ground and flight results with excellent agreement obtained.