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

Investigation of the Optical Emission of Hall Effect Thrusters using a Collisional Radiative Model, Particle-In-Cell Simulations, and Machine Learning

• Auteur / Autrice : Tarek Ben Slimane
• Direction : Pascal Chabert, Anne 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 ; 1975-....) - Laboratoire de Physique des Plasmas / LPP
• Jury : Président / Présidente : Erik Johnson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Chabert, Anne Bourdon, Sedina Tsikata, Tsanko Tsankov, Victor Désangles, Mark A. Cappelli, Olivier Duchemin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sedina Tsikata, Tsanko Tsankov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Spectroscopie des plasmas

Propulsion électrique

Mots clés libres

Propulsion éléctrique

Optique

Modélisation

Spectroscopie

Diffusion Thomson

Réseaux de Neuronne

Electric propulsion

Optics

Modelling

Spectroscopy

Thomson scattering

Neural Network

Résumé

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.

This thesis provides an analysis of the optical emission of Hall Effect thrusters. The study is grounded in the context of the dynamic field of micro reusable launchers and ride-share satellite programs, which have substantially reduced space operation costs. This shift has intensified the demand for standardized and miniaturized satellite equipment, with a particular focus on Hall thrusters due to their advantageous thrust-to-power ratio, specific impulse, and efficiency.This thesis builds upon the development of the LPPic Particle-In-Cell code, and explores the plasma dynamics and interactions within the thruster by coupling the simulation results with virtual diagnostics. First is the collective Thomson scattering, which explores the electron density fluctuations in the thruster. Second is the optical emission spectroscopy coupled with a collisional radiative model, which characrerizes the electron energy distribution function. Both are instrumental in validating LPPic simulations, with the latter also serving as a promising tool for assessing the performance in orbit and characterizing ground facility effects.The methodology consists of a blend of simulations and experiments, relying on virtual diagnostics to assess simulations and guide experimental practices. The thesis is structured into eight chapters. These include the exploration of virtual collective Thomson scattering diagnostics, the development and validation of HET0D, a collisional-radiative model for neutral xenon, and the establishment of a framework for performing virtual optical emission spectroscopy from Particle-In-Cell simulations. This established the importance of considering spatial gradients in the plume of the thruster when extracting plasma parameters from optical emission. It also highlighted the validity of the transport and Maxwellian assumptions in the collisional radiative models of neutral species and highlighted line-specific bandwidth limitations for the implementation of optical emission spectroscopy to study high frequency instabilities (>MHz). These insights were confronted with experiments where actual spectra were used to extract plasma parameters using the collisional radiative model under various thruster conditions, thereby demonstrating the validity of the virtual diagnostic analysis and the adequacy of optical emission and collisional radiative models to monitor Hall Effect thrusters. Finally, an innovative enhancement to optical emission and collisional radiative model through the integration of artificial neural networks is also presented, which significantly improves the efficiency and scope of the diagnostic, by speeding up the processing, reducing the needed hardware in-orbit, and allowing the optical control of the operating parameters.This research makes an initial contribution to the field of electric propulsion by offering a unique perspective that combines numerical simulations, virtual diagnostics with experimental data, and neural networks, thereby enhancing the understanding of diagnostics, simulations, and the behavior of Hall Effect thrusters.