Etude théorique et expérimentale des arcs électriques et du plasma de décharge sur les panneaux solaires des satellites

Theoretical and experimental study of electric arcs and discharge plasma on satellites' solar cells

• Auteur / Autrice : Capucine Sol
• Direction : Sébastien Hess
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ONERA/DPHY/GEET Département Physique, instrumentation, environnement, espace

Mots clés

Mots clés libres

Décharges électrostatiques

Physique des plasmas

Décharge d'arc

Electrostatic discharge

Plasma physics

Arc discharge

Résumé

Les satellites en opération sont soumis à des conditions de charge électrostatique extrêmes pouvant conduire à la formation de différences de potentiel élevées entre les surfaces de différentes natures qui sont à l'origine de décharges électrostatiques. Les décharges se produisant sur les générateurs solaires constituent un risque particulier dans la mesure où elles peuvent mener à la production d'un arc électrique de longue durée entre les lignes de puissance et à la dégradation voire la perte complète des panneaux. Les études menées ces dernières années ont permis d'identifier les conditions de formation des décharges sur les panneaux solaires et de mieux comprendre les mécanismes d'initiation. La décharge est initiée depuis une pointe microscopique exposée au plasma spatial dans une zone à fort gradient de potentiel. Une fois la décharge initiée, la zone de décharge se transforme en spot cathodique, source d'un fort courant porté par le plasma issu du spot. Néanmoins, ces décharges seules ne suffisent pas à détériorer les générateurs solaires. Elles peuvent cependant entraîner l'apparition d'arcs électriques permanents entre les cellules solaires. Ces arcs de forte puissance entretenus par le générateur solaire lui-même peuvent entraîner sa destruction. Le but de la thèse sera de déterminer les processus physiques et les conditions entraînant l'apparition d'un arc entre les cellules solaires. Pour cela, le(la) doctorant(e) pourra dans un premier temps s'appuyer sur un large corpus de résultats expérimentaux obtenus à l'ONERA sur plusieurs décennies, ainsi que sur les modèles physiques et numériques développés au cours de travaux précédents décrivant la physique du spot cathodique et de plasma de décharge en l'absence d'arc. La comparaison expérience/modèle permettra à la fois d'améliorer le modèle et d'acquérir une connaissance approfondie de la physique des décharges. Ensuite, le(la) doctorant(e) sera encouragé(e) à proposer de nouveaux modèles permettant d'expliquer le passage à l'arc et pourra utiliser le parc expérimental de l'ONERA pour tester et affiner ses modèles. Cela inclura entre autres l'étude de la dégradation thermique et l'érosion par bombardement ionique des polymères autour du spot cathodique qui sont suspectées d'avoir un rôle important dans le déclenchement des arcs. Les travaux seront menés au sein de l'équipe Couplage Satellite Environnement (CSE) de l'ONERA sur le centre de Toulouse.

Satellites orbiting the Earth are subject to severe electrostatic chargng conditions that can lead to the formation of high potential differences between surfaces of different nature (conductors and dielectrics), which are the responsible for electrostatic discharges (ESD). ESDs on solar array generators represent a particular risk as they can lead to sustained electric arcs between the power lines and thus to the degradation or even complete loss of the panels. Research works have helped identifying the conditions of ESD formation on solar panels (inverted potential gradient charging) and have led to a better understanding of the initiation mechanisms: the discharge is a vacuum arc starting from a microscopic metal tip located near a triple point (conductor/dielectric/vacuum) constituting a cathode 'spot'. This primary ESD generates a plasma bubble (called 'flash-over') expanding at the panel surface, which can lead to the formation of a secondary arc. Numerical and experimental studies performed at ONERA have led to the definition of test protocols for the qualification of solar cells, and to the development of models in order to simulate the formation and propagation of the flash-over phenomenon. These models, which proved to be able to reproduce the phenomena observed on a large panel, raise questions about the conditions of the flash-over stop, which seems to play a critical role in the triggering and sustainability of the secondary arc. The thesis will focus on the validation of the flash-over simulation model currently developped by the research team, the development of new models in order to identify arcing transition conditions, and experimental works dedicated to the measurement of relevant plasma parameters (e.g. plasma potential, temperature and density) in the JONAS test facility. The candidate will have to develop and implement innovative plasma diagnostics (electrostatic probes, emission spectroscopy) with temporal and/or spatial resolution. The work will be conducted within the Spacecraft Environment Coupling unit (CSE) of ONERA in Toulouse.