Ion dynamics in the magnetic nozzle of an Electron Cyclotron Resonance Thruster - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Ion dynamics in the magnetic nozzle of an Electron Cyclotron Resonance Thruster

Dynamiques ioniques dans la tuyère magnétique d'un propulseur ECR

Romain Pioch
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1483462
  • IdRef : 28235185X

Résumé

Over the last decades, the spacecrafts propulsion systems have evolved, and the electric propulsion has been favoured over the traditionally used chemical propulsion. An electric propulsion device produces, accelerates and ejects an ionised gas, called plasma, to generate a thrust force. The ECRA thruster is an electric propulsion concept developed at ONERA which benefits from a simple and innovative design. The plasma is accelerated in a diverging magnetic field, called magnetic nozzle, which simplifies the architecture of the thruster. The objective of this work is to understand the physical phenomena governing the acceleration and the ejection of the plasma in the magnetic nozzle of an ECRA thruster. First, the improvement of the Laser Induced Fluorescence (LIF) diagnostic has allowed for the measurement of the two components of the ion velocity field in the thruster source and within the first 20 centimetres of the magnetic nozzle of the thruster. The analytical solution of a fluid and isothermal model describing the expansion of a plasma in a magnetic nozzle was derived and compared to the experimental data, and a good agreement was found between the measurements and the theory. Secondly, to overcome the lack of LIF signal at distances greater than 20cm in the plume of the ECRA thruster, an electrostatic diagnostic was developed: the directional Faraday cup. Thanks to an innovative design, this diagnostic allows for the angular selection of the collected ion flux. This directional property was validated through ion flux measurements in front of a calibrated ion source and then through ion flux measurements in the plume of the ECRA thruster. Moreover, using this diagnostic to estimate the thrust of the ECR thruster results in an error of 5% compared to the direct thrust measurement performed using a balance. This result is to be compared with an error of more than 20% obtained when a flat Faraday probe is used, which validates the level of current measured by the directional Faraday cup. This cup has been mounted on a stepper motor to measure the angular distribution of ion current density locally in the plume of the ECRA thruster. It has allowed for the measurement of the local direction of ion flux in an area extending from 20 to 60 cm from the thruster source for different gas flow rates, thruster powers, vacuum conditions in the test chamber, and magnetic nozzle topologies. The comparison of the ion flux direction with the direction of the magnetic field lines of the nozzle has highlighted several results. First, the ions have a trajectory collinear to the magnetic field lines in the centre of the plume. Second, they are detached from the magnetic field lines in the lateral part of the plume. The detachment position does not depend on the operating conditions of the thruster or the vacuum level in the vacuum facility. However, these conditions influence the trajectory of the ions already detached. In fact, it has been shown that the detached ions follow straight-line trajectories. Consequently, the thruster operating conditions influence the angle that the ions make with the magnetic field lines at the detachment location. For all tested conditions, this detachment is more divergent than the magnetic field. Finally, it appears that the magnetic nozzle governing the ion dynamics results from the sum of the magnetic field produced by the thruster permanent magnet and the azimuthal average of the influence of the Earth magnetic field. This unexpected result could be explained by a global rotation dynamic of the plasma in the magnetic nozzle of the ECRA thruster.
Au cours des dernières décennies, les moyens de propulsion des satellites ont évolué et la propulsion électrique s’est imposée face à la propulsion chimique classiquement utilisée. Les propulseurs électriques produisent, accélèrent et éjectent un gaz ionisé, appelé plasma, pour générer une force de poussée. Le propulseur ECRA est un concept de propulseur électrique développé à l’ONERA qui bénéficie d’un design simple et innovant. Le plasma est accéléré dans un champ magnétique divergent appelé tuyère magnétique. L’objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes régissant l’accélération et l’éjection du plasma dans la tuyère magnétique du propulseur ECRA. Dans un premier temps, l’amélioration du diagnostic de Fluorescence Induite par Laser (LIF) a permis la mesure des deux composantes du champ de vitesse des ions dans la source du propulseur et dans les 20 premiers centimètres de la tuyère magnétique du propulseur. La solution analytique d’un modèle fluide et isotherme décrivant l’expansion d’un plasma dans une tuyère magnétique a été dérivée et comparée aux données expérimentales, et un bon accord a été trouvé entre les mesures et la théorie. Dans un second temps, pour pallier au manque de signal de LIF dans la plume du propulseur à des distances supérieures à 20cm, un diagnostic électrostatique a été développé : la coupe de Faraday directionnelle. Grâce à un design innovant, ce diagnostic permet une sélection angulaire du flux d’ion collecté. Cette propriété directionnelle a été validée grâce à des mesures de flux en face d’une source à ions calibrée puis des mesures de flux d’ions dans la plume du propulseur ECRA. De plus, l’utilisation de ce diagnostic pour estimer la poussée du propulseur donne une erreur de 5% par rapport à la mesure directe de poussée effectuée grâce à une balance. Ce résultat est à comparer à une erreur de plus de 20% obtenue quand une sonde de Faraday plate est utilisée, ce qui valide le niveau de courant mesuré par la coupe de Faraday directionnelle. Ce diagnostic de coupe de Faraday directionnelle a été monté sur un moteur pas à pas, permettant une rotation de la sonde autour d’un axe coupant son orifice d’entrée. Grâce à ce montage, la distribution angulaire de densité de courant des ions a pu être mesurée localement dans la plume du propulseur ECRA. Cette propriété a permis d’évaluer la direction locale du flux d’ions dans une zone s’étendant de 20 à 60 cm de la source du propulseur pour différents débits de gaz, puissances du propulseur, conditions de vide dans l’enceinte de test et topologies de tuyère magnétiques. La comparaison de la direction du flux d’ions avec la direction des lignes de champs magnétique dans la tuyère a permis de mettre en évidence plusieurs résultats. Premièrement, les ions ont une trajectoire colinéaire aux lignes de champ magnétique dans la partie centrale de la plume. Deuxièmement, les ions sont détachés des lignes de champs de la tuyère dans la partie latérale de la plume. La position de ce détachement ne dépend ni des conditions d’opérations du propulseur, ni du niveau de vide dans l’enceinte. En revanche, ces conditions ont une influence sur la trajectoire des ions détachés des lignes de champ magnétique. En effet, il est montré que les ions détachés suivent des trajectoires rectilignes. Par conséquent, les conditions d’opération du propulseur ont une influence sur l’angle que font les ions avec les lignes de champ magnétique à la position du détachement. Pour toutes les conditions testées, ce détachement est plus divergent que le champ magnétique. Enfin, il apparait que la tuyère magnétique gouvernant la dynamique des ions résulte de la somme du champ magnétique produit par l’aimant permanant du propulseur et de la moyenne azimutale de l’influence du champ magnétique terrestre. Ce résultat inattendu pourrait être expliqué par une dynamique de rotation globale du plasma dans la tuyère magnétique du propulseur ECR.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04861648 , version 1 (02-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04861648 , version 1

Citer

Romain Pioch. Ion dynamics in the magnetic nozzle of an Electron Cyclotron Resonance Thruster. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris, 2024. English. ⟨NNT : 2024IPPAX064⟩. ⟨tel-04861648⟩
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