Nous venons de voir un bref descriptif de la propulsion électrique à travers les différents types de propulseurs utilisés. Comme toute nouvelle technologie spatiale, si des problèmes sont encore à résoudre, nous pouvons d’ores et déjà noter le succès de la propulsion électrique. Les différents types de propulseurs (électrothermiques, électromagnétiques, électrostatiques) peuvent être utilisés dans des domaines aussi variés que le maintien en orbite des satellites ou la propulsion de navettes d’exploration. Ils sont appréciés puisque leurs performances (poussée, impulsion spécifique, efficacité) permettent de réduire les coûts de lancement en permettant un gain de masse au décollage d’une part, et d’autre part, ils permettent une augmentation des durées de vie des engins spatiaux.
Parmi ces propulseurs, les moteurs de type SPT (propulseurs électrostatiques) offrent les meilleures performances possibles pour le maintien des satellites en orbite géosynchrone ainsi que pour les changements d’orbite (passage d’une orbite basse à l’orbite géosynchrone notamment). D’abord développés dans l’ancienne Union Soviétique depuis les années 60, leur intérêt s’est accru ces dix dernières années aux USA et en Europe de l’Ouest, ainsi des projets, souvent en collaboration avec la Russie, ont vu le jour comme le projet Stentor en France (Collaboration CNES, SEP-FAKEL). Cependant le fonctionnement de ce type de propulseur demeure mal compris et bien des points restent à éclaircir.
Nous pouvons toutefois remarquer que les satellites embarquant les propulseurs électriques, quels qu’ils soient, sont le plus souvent commerciaux (domaine des télécommunications). Si ces propulseurs devaient être utilisés à l’avenir sur des engins d’exploration, des collaborations devront être sûrement envisagées. Les problèmes budgétaires actuels ont pour effet de réduire les coûts et la taille des satellites (développement de satellites d’une puissance inférieure à 1 kW), des programmes d’études concernant la miniaturisation des propulseurs électriques sont donc lancés [Ba-2]. Pour certaines missions, des propulseurs de différents types (systèmes à grande impulsion spécifique/faible poussée couplés à des systèmes à faible impulsion spécifique/grande poussée) pourraient être utilisés
Chapitre II
INFLUENCE DU TRANSPORT ELECTRONIQUE SUR LA
CONDUCTIVITE AXIALE
II
Influence du Transport Electronique sur la Conductivité Axiale
II-1 INTRODUCTION
Parallèlement au développement d'un modèle auto-cohérent dont le but est de mieux comprendre le fonctionnement général du moteur, un modèle Monte Carlo non auto-cohérent nécessitant la connaissance des profils de densité d'espèces lourdes et des champs électrique et magnétique a été développé. Son but est d'essayer de mieux comprendre la cinétique des électrons pouvant expliquer la forte conductivité observée expérimentalement dans la direction axiale, direction de la poussée.
La conductivité électrique dans la direction perpendiculaire au champ magnétique est directement proportionnelle à la fréquence de collision électron-lourd pour les fortes valeurs du champ B. Cette fréquence n'est pas suffisante dans la région proche de la sortie du moteur où le champ magnétique est encore important. En effet, dans cette région, la fréquence de collision électron-neutre est faible, les atomes de xénon étant ionisés par impact d'électrons énergétique, la densité de neutres décroît fortement. De plus, l'énergie des électrons étant importante sur le dernier cm avant la sortie du moteur, la fréquence de collision électron-ion ne permet pas d'assurer non plus une conductivité suffisante. Les collisions entre les électrons et les espèces lourdes en volume étant trop faibles, deux théories ont été proposées afin d'expliquer le courant mesuré expérimentalement. Une 1ère hypothèse a été avancée par Morozov et al. [Mo-1] en postulant que les collisions électron-paroi pouvaient jouer un rôle important en augmentant la mobilité et donc la conductivité électrique dans la région proche de la sortie du moteur. Les auteurs ont introduit le concept de "near-wall conductivity" (conductivité pariétale) [Mo-2], [Mo-3], [Mo-4], [Mo-5], [Mo-6], [Bu-1] due à la réflexion d'électrons énergétiques par les parois et à l'émission secondaire électronique par impact d'électrons sur les céramiques du moteur. Une 2ème hypothèse est une diffusion "anormale" de type Bohm [Bo-3] résultant des phénomènes de turbulence analogue à ceux rencontrés dans les tokamaks. Kaufman [Ka-1] suggère que la diffusion anormale peut-être causée par des fluctuations en volume ou par des interactions électron-paroi avec passage de l'un à l'autre dans un sens ou dans un autre quand le champ magnétique augmente.
Nous avons donc développé un modèle Monte Carlo dans le but de mieux comprendre les effets de telle ou telle hypothèse sur la conductivité axiale. Un modèle de diffusion électronique dérivant d'une équation de transport macroscopique intégrée le long de la direction radiale a par ailleurs été développé par P. Degond et V. Latocha [De-1], [De-2] pour étudier le problème de la conductivité pariétale. Les résultats obtenus à l'aide du modèle Monte Carlo ont été comparés aux résultats obtenus par ce modèle de diffusion en supposant un état stationnaire.
Dans la section II-2, nous détaillerons les deux hypothèses permettant de décrire la conductivité observée expérimentalement et nous verrons une vue d'ensemble des paramètres qui nous paraissent importants. La section II-3 est consacrée à la description du modèle Monte Carlo. Nous décrirons les méthodes permettant de prendre en compte les collisions électron-espèce lourde (électron-ion et électron-neutre), les interactions électron-paroi et les fluctuations de type Bohm. Le modèle de diffusion sera brièvement décrit dans la section II- 4. La section II-5 permettra de voir les influences des hypothèses concernant le mode de conduction sur la fonction de distribution électronique et les différentes grandeurs macroscopiques que l'on peut en déduire en comparant les résultats obtenus par les deux modèles. Les résultats de la simulation Monte Carlo seront également confrontés aux résultats expérimentaux et trouvés dans la littérature. Enfin la section II-6 tire les conclusions de cette étude.