Exploration des méthodes pour la simulation numérique des propulseurs à effet Hall

Exploration of methods for the numerical simulation of Hall thrusters

• Auteur / Autrice : Guillaume Bogopolsky
• Direction : Bénédicte Cuenot, Olivier Vermorel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 10/02/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-2025)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Garrigues
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Francesco Taccogna, Khaled Hassouni, Anne Bourdon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Taccogna, Khaled Hassouni
• DOI : 10.70675/b22a3e0aza6e9z4348zb402ze07bb9227cfc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels -- Lancement

Propulsion électrique

Dynamique des plasmas

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Propulseur Hall

Propulsion électrique

Simulation numérique

Physique des plasmas

Hall thruster

Electric propulsion

Computer simulation

Plasma physics

Résumé

Au cours des quinze dernières années, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a connu une augmentation exponentielle. Le coût élevé des lancements spatiaux a poussé les fabricants à adopter des technologies de propulsion plus efficaces, telles que les propulseurs électriques. Les propulseurs à effet Hall appartiennent à cette catégorie et ont démontré une efficacité remarquable ainsi qu'une durée de vie accrue pour les transferts orbitaux, le maintien à poste orbital et l'exploration spatiale. Cependant, la physique de ces propulseurs n'est pas encore totalement comprise, notamment en ce qui concerne l'érosion anormale de la paroi céramique au niveau du plan de sortie du propulseur, ainsi que les différentes instabilités qui apparaissent sur une large gamme de fréquences, telles que les ''spokes'' rotatifs, les modes de respiration, les instabilités de gaine et de dérive des électrons. Ces phénomènes empêchent une modélisation simple des propulseurs et, par conséquent, complexifient le développement de moteurs à poussées plus élevées et plus efficaces, qui doit donc encore se faire de manière empirique.Face à ces défis, les simulations numériques se sont imposées comme un outil crucial pour améliorer notre compréhension et prédire le comportement des propulseurs à effet Hall. À cette fin, le CERFACS, en collaboration avec Safran Aircraft Engines et le Laboratoire de Physique des Plasmas, développe depuis 2016 le code AVIP. AVIP est un outil de simulation massivement parallélisé qui utilise une grille non-structurée et supporte à la fois les approches lagrangienne (Particle-in-Cell, ou PIC) et eulérienne (fluide), offrant ainsi une flexibilité dans la modélisation des différentes dynamiques du plasma du propulseur. Les premiers résultats obtenus avec AVIP ont permis des études détaillées des instabilités azimutales caractéristiques des propulseurs à effet Hall.L'objectif principal de cette thèse était d'étudier et de finaliser une version d'AVIP capable de réaliser des simulations de haute fidélité des propulseurs à effet Hall avec un équilibre entre le coût de calcul et la précision, en exploitant à la fois les modèles PIC et fluides. Nous avons explicité les détails de mise en œuvre des éléments nécessaires pour un tel solveur dans un cadre parallèle non structuré basé sur le solveur industriel AVBP, et détaillé les défis numériques et d'optimisation qui en découlent. Ensuite, la capacité de ce code à effectuer des calculs de plasma a été évaluée sur cas test 1D ainsi que sur une configuration 2D représentative d'un propulseur à effet Hall et montrant des traces de l'instabilité de dérive électronique. Enfin, une décharge de Penning a été simulée dans le cadre d'un benchmark international en utilisant la méthode PIC afin de vérifier notre capacité à capturer les ''spokes'' rotatifs et de définir un cas de référence pour de futures simulations fluides.

In the last fifteen years, the number of satellites orbiting Earth has shown an exponential increase. The high cost of space launches has driven manufacturers towards more efficient propulsion technologies, such as electric thrusters. Hall thrusters belong to this category, and have shown remarkable efficiency and life time for orbital transfers, orbital station-keeping and space exploration applications. However, their physics is not yet fully understood, such as the abnormal erosion of the ceramic material at the thruster's exit plane, and the various instabilities that appear across a range of frequencies, including rotating spokes, breathing modes, sheath instabilities and electron drift instabilities. Notably, they prevent a simple modeling of the thrusters and thus a simple scaling of the technology in order to reach higher thrust and optimize efficiency, which has to be done empirically.Given these challenges, computer simulations have emerged as a crucial tool for advancing our understanding and predicting the behavior of Hall thrusters. To this end, CERFACS, in collaboration with Safran Aircraft Engines and the Laboratoire de Physique des Plasmas, has been developing the AVIP code since 2016. AVIP is a massively parallelized simulation tool that employs an unstructured grid and supports both Lagrangian (Particle-in-Cell, or PIC) and Eulerian (fluid) approaches, offering flexibility in modeling different aspects of the thruster's plasma dynamics. Initial results using AVIP enabled detailed studies of the azimuthal instabilities characteristic of Hall thrusters.The primary objective of this thesis was to investigate and finalize a version of AVIP that can perform high-fidelity simulations of Hall thrusters with a balance between computational cost and precision, leveraging both PIC and fluid models. We have explicited the implementation details of the required elements for such as solver in a parallel unstructured framework based on the industry standard solver AVBP, and detailed the numerical and optimization challenges that arise. Then, its capacity to perform plasma computation is evaluated on a 1D benchmark setup and a 2D setup representative of a Hall thruster and showing traces of the Electron Cyclotron Drift Instability. Then, a Penning discharge is computed in the context of an international benchmark using the PIC method in order to verify our ability to capture spoke instabilities and setup a reference case for future fluid simulations.