Physique des propulseurs à arc sous vide (VAT) à fort courant

Physics of high-current Vacuum Arc Thrusters

• Auteur / Autrice : Etienne Michaux
• Direction : Stéphane Mazouffre, Laurent Garrigues
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICARE - Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité, Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Propulsion spatiale électrique

Physique des plasmas

Arcs sous vide

Electric space propulsion

Plasma physics

Vacuum arcs

Résumé

La thèse proposée porte sur l'étude, l'analyse et la modélisation de la décharge d'arc et du jet de plasma du PJP, un propulseur à arc sous vide développé par la société française COMAT. Ce type de propulseurs, dont l'acronyme est VAT (vacuum arc thruster en anglais), est voué à la propulsion d'engin spatiaux par l'ionisation et l'éjection d'un carburant solide via le déclenchement d'un arc électrique entre 2 électrodes. Ces propulseurs présentent, entre autres, des perspectives très intéressantes concernant la miniaturisation en proposant un système fiable utilisant un carburant solide. En revanche, la physique des arcs sous vide est encore assez mal comprise et plus de travaux doivent etre menés pour comprendre mieux l'appréhender et donc améliorer les performances des VAT. Les objectifs principaux de cette thèse sont: i) de mieux comprendre la physique à l'origine des performances du propulseur, en particulier les mécanismes d'ionisation et d'accélération. ii) d'obtenir des données à l'échelle microscopique pour améliorer la modélisation et les simulations numériques du PJP et des VAT en général. La combinaison de ces deux objectifs permettra d'optimiser le PJP et d'améliorer ses performances. Le travail expérimental sera réalisé au sein de l'équipe de propulsion électrique du laboratoire ICARE à Orléans, reconnu pour son expertise et son expérience dans le domaine de la propulsion spatiale et du diagnostic plasma. Les simulations numériques seront réalisées avec les chercheurs du laboratoire LAPLACE à Toulouse, reconnus mondialement pour leur expertise dans la modélisation et la simulation des plasmas à basse température. COMAT sera bien sûr fortement impliquée dans ces travaux puisque l'objet d'étude principal est ici leur propulseur PJP. Seules quelques études ont été menées sur la physique des VAT au cours des dernières décennies, en particulier lorsqu'ils sont tirés en mode impulsionnel. Les principales difficultés proviennent du comportement transitoire de l'arc avec une durée typique de l'ordre de la micro-seconde, du mouvement rapide et complexe de l'arc ainsi que de la petite taille de la décharge de plasma (typiquement de l'ordre du mm). La thèse de doctorat aura donc un fort caractère expérimental, avec des recherches menées dans diverses installations d'essai sur des modèles de laboratoire miniatures de VAT de classe 30 W. Les sujets de recherche couvriront les propriétés des particules chargées, les phénomènes de transport, l'impact d'une perturbation rapide du plasma sur les caractéristiques de la décharge, l'influence d'une tuyère magnétique sur les performances ainsi que des simulations. Les quantités mesurées comprendront entre autres la poussée instantanée, la lumière émise, les formes d'onde du courant, les propriétés du plasma et la vitesse des ions.

The proposed PhD thesis deals with the study, the analysis and the modelling of both the arc discharge and the plasma jet of the PJP, a vacuum arc thruster developped by the COMAT french company. This type of thruster, whose acronym is VAT, is dedicated to the spacecraft propulsion by the ionization and ejection of a solid propellant via the triggering of an electric arc between 2 electrodes. These thrusters present, among others, very interesting perspectives concerning miniaturization by proposing a reliable system using a solid propellant. On the other hand, the physics of vacuum arcs is still rather poorly understood and more work needs to be done to better understand it, and thus improve the performance of VATs. The main objectives of this PhD are: i) to better understand the physics at the origin of the thruster performances, especially the ionization and acceleration mechanisms ii) to get data at the microscopic scale to improve modelling and numerical simulations of the PJP and VATs in general terms. The combination of these two objectives will allow to optimize the PJP and to increase its performances. The experimental work will be performed within the electric propulsion team of the ICARE laboratory in Orléans, which is well-recognized for its expertise and experience in the field of spacecraft propulsion and plasma diagnostics. Numerical simulations will be carried out with researchers from the LAPLACE laboratory in Toulouse who are recognized world-wide for their expertise in low-temperature plasma modelling and simulations. COMAT will of course be strongly involved in this work as the main object under study here is their PJP thruster. Only a few studies have been carried out on the physics of VATs over the past decades, especially when fired in pulse-mode. The main difficulties originate from the transient behavior of the arc with duration typically in the micro-second range, from the fast and complex motion of the arc and from the small size of the plasma discharge typically in the mm range. The PhD thesis will then have a strong experimental character, with research carried out in various test facilities with lab model miniature 30 W-class VAT. Research topics will cover charged-particle properties, transport phenomena, impact of a fast plasma perturbation on discharge characteristics, influence of a magnetic nozzle on performances and simulations. Measured quantities will among others include instantaneous thrust, emitted light, current waveforms, plasma properties and ion velocity.