Instabilités dans les plasmas des propulseurs à effet Hall : une étude théorique et numérique

Plasma instabilities in Hall Thrusters : a theoretical and numerical study

• Auteur / Autrice : Federico Petronio
• Direction : Anne Bourdon, Pascal Chabert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/04/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....) - Laboratoire de Physique des Plasmas
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Pérez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Bourdon, Pascal Chabert, Gwenaël Fubiani, Aaron Knoll, Francesco Taccogna, Igor Kaganovich, Benjamin Laurent
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gwenaël Fubiani, Aaron Knoll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propulsion électrique

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Physique des Plasmas

Propulsion

Moteur ionique

Propulseur de Hall

Décharge ExB

Plasma physics

Propulsion

Ion thruster

Hall Thruster

ExB discharges

Résumé

Le propulseur à effet Hall (HT) est un système de propulsion électrique largement utilisé pour des applications spatiales depuis son invention dans les années 1960. Sa configuration en champs croisés, ExB, permet d'ioniser un gaz, généralement du xénon, et d'accélérer les ions vers l'extérieur pour créer la poussée.Les propulseurs de Hall sont utilisés pour des missions spatiales de plus en plus diverses, notamment dans le domaine des télécommunications, de l'observation de la Terre et de l'exploration dans l'espace lointain. Cependant, ces dispositifs utilisent des plasmas froids magnétisés à basse pression, dont la physique est extrêmement complexe : plusieurs phénomènes qui ont une importance majeure pour la performance et la durée de vie des propulseurs sont encore peu compris. Actuellement, des essais de durée de vie longs et coûteux sont requis pour concevoir et développer de nouveaux propulseurs.Il est donc nécessaire de développer dans les années à venir une nouvelle méthodologie expérimentale/numérique pour proposer des conceptions innovantes, capables de répondre aux enjeux et aux défis de l'industrie spatiale. Dans ce cadre, cette thèse présente des résultats théoriques et de simulation sur la physique des plasmas froids magnétisés à basse pression dans les plans radial-azimutal et axial-azimutal d'un HT. Le code Particle-in-Cell (PIC) 2D LPPic a été enrichie en rajoutant l'effet de la troisième dimension (i.e. pas considerée dans la simulation) et un circuit externe, pour se rapprocher des propulseurs réels. De plus, une technique de reconstruction spectrale (PSD2P) pour calculer localement la densité spectrale de puissance a été implémentée pour analyser les résultats des simulations.Les instabilités du plasma ont un impact direct sur la physique de la décharge et sur la performance du propulseur, car elles influencent fortement le transport anormal des électrons dans la direction axiale. Dans ce travail, nous présentons une étude théorique du développement des instabilités, en dérivant une relation de dispersion 3D. La dispersion 3D a été simplifiée pour retrouver les dispersions 1D et 2D les plus connues pour ce type de plasmas. Ces relations théoriques ont ensuite été comparées aux résultats des simulations PIC. Les simulations radiales-azimutales ont permis de formaliser un critère pour le développement de l'instabilité modifiée à deux faisceaux (MTSI) et d'en évaluer la contribution au transport anormal. D'autre part, les simulations axiales-azimutales ont permis de caractériser l'instabilité de transit de ions (ITTI), en mieux comprenant sa croissance et son effet sur la population d'ions à basse énergie dans la plume du propulseur. En outre, les simulations axiales-azimutales ont montré que l'instabilité acoustique ionique (IAW) se forme dans la partie centrale du canal du propulseur et se propage ensuite vers la cathode et l'anode.Enfin, le code LPPic a été utilisé pour étudier l'influence de divers paramètres d'entrée (température électronique de la cathode, tension de l'anode, débit massique, forme du champ magnétique, propergol) sur les caractéristiques de la décharge et les performances du propulseur. La stabilité du code LPPic par rapport à grandes variations des valeurs d'entrée suggère qu'un code PIC 2D pourrait être utilisé dans une méthodologie expérimentale/numérique pour concevoir de nouveaux dispositifs en pré-sélectionnant des configurations/conditions de fonctionnement intéressantes avant de réaliser des simulations PIC 3D.

Hall thrusters (HTs) are electric propulsion systems widely used in space applications since their invention in the 1960s. Their ExB configuration allows for ionizing a propellant gas, usually xenon, and accelerating outwards the ions to create thrust.Hall thrusters are used for an increasing diversity of space missions, including telecommunications, Earth observation, scientific exploration, and deep space missions.However, the physics of low-temperature low-pressure magnetized plasmas, typical of these thrusters, is complex; several plasma processes that have direct relevance to the thruster performance and lifetime are still poorly understood. Therefore, currently, long and expensive life tests are required to design and develop new thrusters.It is necessary to develop in the coming years a new experimental/numerical methodology to propose innovative designs, capable of meeting the issues and challenges of the space industry. Towards this objective, this thesis presents theoretical and simulation results on the physics of low-temperature low-pressure magnetized plasmas in the radial-azimuthal and axial-azimuthal planes of a HT. A 2D Particle-In-Cell (PIC) code, LPPic, has been enriched by adding the effects of the third dimension (i.e. the one not considered in the simulation) and an external electrical circuit, to get closer to real thrusters.Moreover, a spectral reconstruction technique to locally calculate the power spectral density, the Two-Points Power Spectral Density (PSD2P), has been implemented to analyze the simulation results.Plasma instabilities have a direct impact on discharge physics and thruster performance, as they strongly influence the anomalous electron transport in the axial direction. In this work, we present a theoretical study on the development of instabilities by deriving a 3D dispersion relation. The 3D dispersion was simplified to recover the best-known 1D and 2D dispersions for this type of plasma and theoretical results were compared with the results of PIC simulations. The radial-azimuthal simulations made it possible to formalize a criterion for the growth of the Modified Two-Stream Instability (MTSI) and to evaluate its contribution to the anomalous transport. For their part, the axial-azimuthal simulations allowed us for characterizing the Ion Transit-Time Instability (ITTI), better understanding its growth and its effect on the population of low-energy ions in the plasma plume. In addition, these simulations have explained the propagation of the ion acoustic wave (IAW) in the discharge: this instability starts in the central part of the thruster channel and propagates toward the cathode and anode.Eventually, LPPic has been used to study the influence of different input parameters (cathode electron temperature, anode voltage, mass flow rate, magnetic field shape, propellant gas) on the discharge characteristics and on the thruster performance. The stability of the LPPic code with respect to large variations in input values suggests that a 2D PIC code could be used in an experimental/numerical methodology to design new devices selecting interesting configurations/operating conditions before running 3D PIC simulations.