Transport électronique et émission secondaire électronique dans un propulseur de Hall

Electronic transport and secondary emission in a Hall thruster

• Auteur / Autrice : Marc Chung To Sang
• Direction : Laurent Garrigues, Sedina Tsikata
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 02/07/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Gwenaël Fubiani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Giraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kentaro Hara, Aaron Knoll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Fusées à effet Hall

Satellites artificiels

Mots clés libres

Simulation numérique

Grilles parcimonieuses

Particle-in-cell

Méthode d'accélération

Émission secondaire électronique

Propulsion pour satellites

Numerical simulation

Sparse grids

Particle-in-cell

Accelerating methods

Electronic secondary emission

Satellite propulsion

Résumé

L'essor des activités spatiales pour satellite a permis le développement de nombreuses technologies de propulseurs électriques. Parmi elles, le propulseur à courant de Hall connaît un intérêt grandissant de par son coût, ses caractéristiques de poussée et d'impulsion spécifique. Si cette technologie existe depuis au moins cinquante ans, il n'en demeure pas moins que simuler et comprendre son fonctionnement reste hors de portée. La dynamique des particules chargées en configuration de champs croisés ExB est riche d'instabilités dont le rôle dans le fonctionnement du propulseur n'a pas atteint un consensus scientifique. Cette thèse propose de reprendre l'approche appelée ''Particle-in-cell''(PIC) qui consiste à suivre les trajectoires individuelles de particules chargées dans l'espace des phases soumises à un champ électrique solution de l'équation de Poisson et calculé sur une grille de calcul. Cette méthode numérique dans sa version explicite doit répondre à des contraintes de pas d'espace et de temps qui se durcissent avec l'augmentation de la densité électronique. En trois dimensions de l'espace, l'algorithme classique PIC ne peut être appliqué aux conditions réelles d'un propulseur. Une approche récente permet de contourner ce problème au moyen de méthodes numériques de grilles parcimonieuses, appelée ''Sparse-PIC''. Elle repose sur le principe d'annulation des erreurs de grille lorsque l'on combine des sous-grilles de maillage grossier afin de représenter la solution sur la grille de maillage fin. Les performances de calcul obtenues avec le code implémenté pendant la thèse ont permis d'appliquer cette nouvelle approche à une configuration de champs croisés ExB dans un modèle réduit de propulseur de Hall.

The boom in satellite space activities has led to the development of numerous electric thruster technologies. Among these, the Hall current thruster is attracting growing interest due to its cost, thrust and specific impulse characteristics. Although this technology has been around for at least fifty years, simulating and understanding its operation remains out of reach. The dynamics of charged particles in the ExB cross-field configuration are rich in instabilities whose role in thruster operation has not yet reached scientific consensus. In this thesis, we propose to take up the ''Particle-in-cell'' (PIC) approach, which consists in tracking the individual trajectories of charged particles in phase space subjected to an electric field that is a solution of Poisson's equation and calculated on a computational grid. In its explicit version, this numerical method has to meet space and time step constraints that harden with increasing electron density. In three spatial dimensions, the classical PIC algorithm cannot be applied to real thruster conditions. A recent approach, called ''Sparse-PIC'', circumvents this problem by means of sparse grid methods. It is based on the principle of cancelling grid errors when combining coarse-mesh sub-grids to represent the solution on the fine-mesh grid. The computational performance obtained with the code implemented during the thesis has enabled us to apply this new approach to an ExB cross-field configuration in a reduced Hall thruster model.