Développement d’un propulseur plasma à résonance cyclotron électronique pour les satellites - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Development of an electron cyclotron resonance plasma thruster for satellites

Développement d’un propulseur plasma à résonance cyclotron électronique pour les satellites

Résumé

Electric propulsion is an alternative technology to the chemical propulsion that enables reducing propellant consumption for satellites. ONERA is developing an electric ECR thruster with a thrust around 1 mN and an electric power less than 50 W. The thruster creates a plasma by electron cyclotron resonance and accelerates it through a magnetic nozzle. This technology has the advantage of expelling a quasi-neutral plasma and avoiding the utilization of a neutralizer (which is one of the most fragile and costly part of the other electric propulsion technologies). In this thesis work, an optimization of the measurement diagnostics is done. The work also aims at identifying the important parameters for the performances of the thruster and at improving the understanding of underlying physics, in order to increase the thruster efficiency. Several prototypes have been developed and a thrust stand that can directly measure the thrust has been modified. Some parametric studies have been led and have shown that the thruster performance strongly depends on xenon mass-flow rate to microwave power ratio. It has also shown that the external conductor of the plasma source and the ambient pressure have a significant influence on the performances. Following a geometric optimization, a maximum total efficiency of more than 12% has been obtained. Separate measurements of the magnetic and thermal thrust have shown that the magnetic thrust is the main component of the total thrust. A 1D-3V PIC code has been used to simulate the behavior of the thruster. The analysis of the results has shown that the ECR heating and particle acceleration in the magnetic nozzle could be properly computed. The role of the parallel and perpendicular component of electron pressure has been evidenced by this work.
La propulsion électrique est une technologie alternative à la propulsion chimique qui permet de réduire la consommation en ergols des satellites. L'ONERA développe un propulseur électrique de type ECR dont la poussée est autour de 1 mN et qui fonctionne à des puissances inférieures à 50 W. Le propulseur crée un plasma par résonance cyclotron électronique et l'accélère dans une tuyère magnétique. Cette technologie possède l'avantage d'éjecter un plasma quasi-neutre et ne nécessite pas de cathode de neutralisation qui est un composant contraignant mais indispensable pour la plupart des autres technologies de propulseurs électrique. Dans ce travail de thèse, on se propose de développer et d'optimiser les diagnostics de mesure des performances du propulseur ECR, d'identifier les paramètres expérimentaux pouvant influencer les performances et d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu dans le propulseur. Ces objectifs ont pour finalité l'amélioration des performances. Pour répondre à ces objectifs, plusieurs prototypes à aimant permanent ont été développés, et une balance permettant de mesurer directement la poussée a été modifiée pour caractériser le propulseur. Différentes études paramétriques ont été conduites, qui ont montré que les performances dépendaient directement du rapport entre le débit de xénon et la puissance micro-onde injectée. Il a également été observé que la longueur du conducteur externe de la source plasma et la pression ambiante ont une influence significative sur le niveau de performance. Après optimisation de la géométrie, un rendement total supérieur à 12 % a été obtenu. Des mesures séparées de la poussée thermique et magnétique ont permis de montrer que la composante magnétique était la contribution principale de la poussée dans tous les cas testés. Un code PIC 1D-3V a été utilisé pour simuler le comportement du propulseur. L'analyse des résultats indique que le chauffage des électrons par résonance et l'accélération des espèces chargées dans la tuyère magnétique est reproduit de manière satisfaisante. L'ensemble des travaux ont pu mettre en avant le rôle des composantes parallèle et perpendiculaire de la pression électronique.
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tel-02076358 , version 1 (22-03-2019)
tel-02076358 , version 2 (24-02-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02076358 , version 1

Citer

Théo Vialis. Développement d’un propulseur plasma à résonance cyclotron électronique pour les satellites. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. SORBONNE UNIVERSITE, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02076358v1⟩
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