Physique des tuyères magnétiques et des décharges à plasma helicon

Physics of Magnetic Nozzles and Helicon Plasma Discharges

• Auteur / Autrice : Alfio Emanuele Vinci
• Direction : Stéphane Mazouffre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Ivo Furno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivo Furno, Georg Herdrich, Fabrizio Paganucci, Pablo Fajardo, Sylvain Iséni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivo Furno, Georg Herdrich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais

Plasmas (gaz ionisés)

Innovation

Fusées à plasma

Véhicules spatiaux -- Propulsion

Recherche

Énergie

Mots clés libres

Propulsion électrique

Tuyère magnétique

Plasma

Helicon

Electric propulsion

Magnetic nozzle

Plasma

Helicon

Résumé

Les propulseurs à plasma sans électrodes représentent une nouvelle classe de propulseurs spatiaux électriques possédant un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Leur absence de courant net et l'absence d'électrodes exposées au plasma sont des avantages précieux pour répondre aux exigences de longue durée de vie et de fonctionnement avec des propergols alternatifs. Cependant, étant donné la complexité de la physique de ces dispositifs, les indicateurs de performance ne sont généralement pas assez compétitifs par rapport aux autres technologies établies. La recherche fondamentale est donc nécessaire pour fournir un aperçu des phénomènes pertinents afin de suggérer des stratégies d'amélioration. Dans ce cadre, cette thèse présente et discute les résultats de plusieurs campagnes expérimentales visant spécifiquement à mieux comprendre la physique à la base des décharges plasma helicon et des tuyères magnétiques. Des mesures ont été effectuées sur trois dispositifs plasma différents en utilisant une multitude de techniques de diagnostic. Les analyses paramétriques ont impliqué l'utilisation de différents propergols, de gammes spécifiques de puissance, de diverses topologies du champ magnétique appliqué. En fonction de ces paramètres externes, les propriétés des ions et des électrons ont été caractérisées de manière approfondie afin de recueillir des observations et des résultats susceptibles d'étayer la conception de futurs propulseurs à tuyères magnétiques.

Electrodeless plasma thrusters represent a new class of electric space propulsion possessing a number of interesting features. Their current-free nature and lack of plasma-exposed electrodes are valuable characteristics for meeting long lifetime requirements and operation with alternative propellants. However, given the complex physics involved in these devices, performance metrics are typically not competitive enough with other established technologies. Fundamental research is therefore needed to provide an insight on the relevant phenomena so as to suggest strategies for improvement. In this framework, this thesis presents and discusses the results of several experimental campaigns specifically aimed at better understanding the physics underlying helicon plasma discharges and magnetic nozzles. Measurements have been performed on three different plasma devices using a multitude of diagnostic techniques. Parametric analyses have involved the use of different propellants, specific ranges of input power, diverse topologies of the applied magnetic field. As a function of these external parameters, ions and electrons properties have been extensively characterized to collect observations and findings that can support future designs of magnetic-nozzle-based thrusters.