1. Contexte de la propulsion plasma
1.3. La technologie des propulseurs à courant de Hall
1.3.3. Les inconnues physiques des propulseurs à courant de Hall
Malgré ses promesses, la technologie des HT présente de nombreux blocages théoriques. Plusieurs phénomènes sont représentatifs de cette incompréhension.
(a) Exemple de cluster de propulseurs à courant de Hall testé en chambre à vide (NASA)
(b) Propulseur à courant de Hall multi-canal X3 de 100 kW(Glenn Institute, NASA, États-Unis)
(c) Prototype du PPS-20k (Snecma), HT
de 20 kW [39] (d) Propulseur ExoMG en banc d’essai chez Exotrail
Figure 1.14. – Exemples de nouveaux concepts de propulsion impliquant l’utilisation de propulseurs à courant de Hall
Le transport anormal des électrons
En observant les courant de charges dans le canal, il a été démontré que les électrons se trouvant dans le canal ont une mobilité bien supérieure à ce que la théorie actuelle devrait permettre. Ce phénomène appelé transport anormal des électrons a un rôle central dans le fonctionnement du propulseur. En effet, s’il n’est pas pris en compte dans les modélisation, il apparaît que le propulseur ne devrait pas pouvoir s’allumer. D’autre part, il pourrait avoir un impact non négligeable sur les pertes d’énergies dans le propulseur puisqu’il dégrade le confinement des électrons dans le canal.
Le transport anormal des électrons est aujourd’hui inexpliqué bien qu’un lien ait été identifié avec une turbulence du plasma appelée instabilité électron-cyclotron.
L’instabilité de dérive électron-cyclotron
Plusieurs instabilités existent au sein du plasma de HT [36]. Les quatre principales sont l’instabilité d’ionisation (également appelée mode de respiration –breahting mode), l’in-stabilité azimutale basse fréquence (également appelée rotating spoke), l’inl’in-stabilité liée au temps de transit axial des ions (axial transit time oscilations) et enfin l’instabilité de dérive électron-cyclotron (electron-cyclotron drift instability – ECDI).Les trois premières instabilités sont expliquées par des modèles analytiques ou numériques. La dernière cependant reste partiellement incomprise et pourrait avoir une influence non négligeable sur la mobilité des électrons au sein du canal du propulseur qui reste actuellement un problème central pour la compréhension de la physique des HT. Cette étude se concentre donc sur cette dernière turbulence et en particulier sur les liens entre l’ECDI et l’émission électronique sous impact d’électrons aux parois du propulseur (i.e. l’émission d’électrons par les parois du propulseur lorsqu’elles sont soumise à un flux d’électrons incidents).
L’existence de l’ECDI a été postulé en 1970 par Gary et Sanderson [42,43] et a depuis était observée expérimentalement [44] et simulée par des modèles particulaires [7,8]. Différentes études numériques ont montré que l’instabilité de dérive électron-cyclotron pouvait multiplier par un facteur 50 la mobilité électronique dans le canal du propulseur et en sortie de canal ce qui en ferait le principal contributeur à la mobilité électronique anormale. L’article de P. Coche et L. Garrigues [7] permet ainsi d’observer la formation de l’ECDI dans un plasma de HT ainsi que sa contribution à la mobilité électronique dans le canal du propulseur et en sortie de canal (cf. Figure1.15).
L’article de A. Héron et J-C. Adam [8] présente les résultats d’une simulation particulaire dans le plan r − θ d’un canal de HT (cf. Figure1.16, p.39). Comme pour l’article de P.Coche et L.Garrigues, cette simulation permet de mettre en évidence l’apparition de l’ECDI. Il permet également de montrer une dépendance entre le transport anormal des électrons aux travers de l’ECDI, et les caractéristiques de l’émission électronique aux parois du propulseur (cf. Figure
1.17b).
Ces articles montrent bien qu’il existe, d’une part, un lien entre transport anormal des élec-trons et ECDI, mais également entre ECDI et émission électronique aux parois du propulseur. Il apparaît donc que l’émission électronique joue un rôle central dans le transport anormal des électrons.
L’influence de l’interaction plasma/paroi sur les performances globales du propulseur Il a été prouvé que les matériaux de parois ont une influence non négligeable sur le point de fonctionnement des HT ainsi que sur les pertes d’énergies du propulseur [38]. Il n’est cependant pas possible d’établir aujourd’hui un lien entre certains paramètres matériaux et les performances globales du propulseur. Par conséquent, même si les matériaux de paroi ont un impact majeur sur le fonctionnement du propulseur il n’est pas possible aujourd’hui d’optimiser leur sélection.
Figure 1.15. – Comparaison de la mobilité électronique collisionnelle (bleu) à la mobilité calculée par le modèle particulaire z − θ de Coche et Garrigues dans le canal et en sortie de canal de HT (rouge). [7].
(a) Fluctuation de la densité d’ion dans le canal du propulseur.
(b) Fluctuation du potentiel électrique en volts dans le canal du propulseur.
Figure 1.16. – Mise en évidence de l’instabilité de dérive électron-cyclotron par la simulation particulaire en r − θ d’un plasma de HT [8].
(a) Courant axial dans le canal du propulseur en fonction de la phase ωp· t pour différentes vitesse de dérive des électrons Vd. La courbe noire correspond à Vd= 2 × 106m/s, la courbe rouge correspond à Vd= 1.5 × 106m/s, et la courbe bleu correspond à Vd= 1 × 106m/s.
(b) Courant axial dans le canal du propulseur en fonction de la phase ωp· t pour différentes valeurs de ε∗(paramètres d’émission électronique du modèle de Barral, cf.2.2.4). La courbe noire correspond à ε∗ = 20 eV, la courbe verte à ε∗ = 30 eV, la courbe rouge à ε∗ = 50 eV, la courbe bleu à ε∗= 1000 eV. Le paramètre ε∗est défini à la section2.2.4, p.62.
Figure 1.17. – Mise en évidence de la dépendance de l’ECDI aux paramètres de l’émission électronique aux parois du propulseur, d’après [8].
50 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 Point de fonctionnement Vd[V] Id [A] Al2O3 SC BNSiO2
Figure 1.18. – Caractéristique de fonctionnement d’un propulseur SPT-100 (courant de décharge en fonction de la tension de décharge) pour trois matériaux de parois différents [9]
L’ensemble de ces problématiques montre qu’il y a un manque de connaissances sur la physique des propulseurs à courant de Hall. L’une des hypothèse couramment considérée est que le phénomène d’émission électronique aux parois du propulseur aurait un impact majeur sur le transport anormal des électrons, la turbulence plasma, et les rendements aux parois du propulseur. Cette thèse traitera donc de l’interaction plasma/paroi au travers de l’émission électronique et de son influence sur le fonctionnement global du propulseur.