Thèse soutenue

Étude de l'Émission Optique des Propulseurs à Effet Hall à l'aide d'un Modèle Collisionel Radiatif, des Simulations PIC et du Machine Learning

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Auteur / Autrice : Tarek Ben Slimane
Direction : Pascal ChabertAnne Bourdon
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Optique, laser et plasma
Date : Soutenance le 19/12/2023
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, Essonne ; 1997-....) - Laboratoire de Physique des Plasmas / LPP
Jury : Président / Présidente : Erik Johnson
Examinateurs / Examinatrices : Pascal Chabert, Anne Bourdon, Sedina Tsikata, Tsanko Tsankov, Victor Désangles, Mark A. Cappelli, Olivier Duchemin
Rapporteurs / Rapporteuses : Sedina Tsikata, Tsanko Tsankov

Résumé

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Ce travail propose une analyse de l'émission optique des propulseurs à effet Hall qui repose sur les simulations, la spectroscopie et les réseaux de neurones. L'étude s’ancre dans le contexte dynamique du New Space et des lanceurs réutilisables qui ont amené une réduction considérable des coûts des opérations spatiales. Ce changement a intensifié la demande pour des équipements de satellites standardisés et miniaturisés, avec un intérêt particulier pour les propulseurs à effet Hall en raison de leur rapport poussée-puissance avantageux, de leur impulsion spécifique et de leur efficacité.Cette thèse s'appuie sur le développement du code Particle-In-Cell (PIC) LPPic et explore la dynamique et les interactions des plasmas à l'intérieur du propulseur en couplant les résultats de ce code de simulation avec des diagnostics virtuels. Le premier diagnostic est la diffusion Thomson collective qui explore les fluctuations de densité des électrons dans le propulseur. Le second est la spectroscopie d'émission optique couplée à un modèle collisionnel radiatif permettant de caractériser la fonction de distribution de l'énergie des électrons. Les deux sont essentiels pour valider les simulations LPPic avec des expériences, avec la spectroscopie d’émission servant également d'outil prometteur pour évaluer les performances en orbite et caractériser les effets test des installations sol sur les propulseurs.La méthodologie consiste en un va-et-vient entre les simulations et les expériences, notamment en s’appuyant sur les diagnostics virtuels pour évaluer les simulations PIC et aussi guider les pratiques expérimentales. La thèse est structurée en huit chapitres. Ceux-ci incluent l'exploration du diagnostic virtuel de diffusion Thomson collective, le développement et la validation de HET0D, un modèle collisionnel radiatif pour le xénon neutre, et le couplage entre le PIC et modèle collisionnel radiatif pour effectuer la spectroscopie d'émission optique virtuelle. Ce travail souligne l'importance de considérer les gradients spatiaux dans la plume du propulseur lors de l'extraction des paramètres du plasma à partir de l'émission optique. Ce couplage a également permis de valider les hypothèses de transport des métastables et de distribution d’énergie maxwellienne pour les électrons et a souligné les limitations spécifiques de réponse fréquentielle des niveaux excités pour l'implémentation de la spectroscopie d'émission optique pour étudier les instabilités à haute fréquence (>MHz). Ces résultats ont été confrontés à des expériences d’émission optique où des spectres réels ont été utilisés pour extraire les paramètres plasmas en utilisant le modèle collisionnel radiatif dans différentes conditions d’opération du propulseur, démontrant ainsi la validité de l'analyse virtuelle et l'adéquation des modèles d'émission optique et collisionnel radiatif pour évaluer les performances des propulseurs à effet Hall. Enfin, une amélioration innovante de l'approche par l'intégration de réseaux de neurones est également présentée, ce qui améliore la portée de l'approche optique, en accélérant le traitement, en réduisant le matériel nécessaire en orbite et en permettant le contrôle optique des paramètres de fonctionnement.Ce travail représente ainsi une contribution au domaine de la propulsion électrique, offrant une perspective unique qui combine des simulations numériques, des diagnostics virtuels avec des données expérimentales et des réseaux neuronaux, portant un regard critique sur les diagnostics, les simulations et le comportement des propulseurs à effet Hall.