Thèse Simulations Radiales-Axiales d'Un Propulseur de Hall H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Plasmas Direction de la thèse : Anne BOURDON ORCID 0000000336624651 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 L'objectif de ce travail de thèse est de développer des outils numériques performants pour comprendre la physique des plasmas des propulseurs de Hall et ainsi aider à leur conception. Dans ce but, trois axes de travail sont proposés. Le premier axe de recherche consistera à développer l'outil numérique parallélisé LPPic développé au LPP dans le plan radial-axial (r-z) d'un propluseur afin de pouvoir simuler expansion du plasma dès la chambre du propulseur à la zone à l'extérieur du canal. Les gaz étudiés seront principalement le xénon et le krypton et, si possible, l'iode. Un deuxième axe de recherche consistera à modéliser l'effet des flux de particules chargées sur les parois céramiques du propulseur, en particulier, en étudiant l'interaction du plasma avec les parois diélectriques de la chambre de décharge. Quand le modèle sera établi et testé, les résultats du code pourront être comparés avec des quantités déduites des taux d'érosion mesurés expérimentalement. Le troisième axe de recherche inclut une utilisation extensive du code sur plusieurs points d'opération, afin de mener une étude détaillée sur une large gamme de paramètres clés du propulseur et les comparer avec des résultats expérimentaux. Dans ce cadre, il sera important d'analyser l'effet du transport anormal des électrons, notamment en menant des études de sensibilité en fonction de la valeur du coefficient de transport anormal. Il sera également envisageable d'étudier de possibles pistes d'amélioration pour la modélisation de ce transport.
Aujourd'hui, les systèmes de propulsion électrique alimentent plus de 50% des satellites dans une industrie spatiale de plus en plus compétitive. Parmi ces systèmes, les propulseurs à effet Hall (HET), développés en France par Safran, se sont révélés très performants pour les manoeuvres orbitales ainsi que pour le contrôle des satellites. Pour répondre à la demande en forte croissance de petits satellites opérant en orbite terrestre basse (500 à 2,000 km d'altitude) ainsi que pour les missions dans l'espace lointain, différentes options de conception de propulseurs sont explorées. Parmi celles-ci, il est essentiel de tester la compatibilité et les performances des HETs avec différents gaz propulseurs. Le xénon, l'argon et le krypton sont aujourd'hui utilisés dans les HETs, mais d'autres propulseurs alternatifs, comme par exemple l'iode, sont actuellement à l'étude.
Les propulseurs de Hall ont été un sujet de recherche scientifique depuis leur apparition dans les années 1960. Malgré cela, la physique complexe des plasmas magnétisés à basse pression impliqués dans leur fonctionnement est encore seulement partiellement comprise. Plusieurs processus clefs de la décharge influençant les performances et la durée de vie des propulseurs restent encore mal caractérisés. En conséquence, la conception et le développement des propulseurs sont encore faits actuellement de façon semi-empiriques et dépendent de longs et coûteux essais. Afin de progresser dans les connaissances fondamentales des plasmas magnétisés, il est crucial actuellement de disposer de différents outils de modélisation/simulation des plasmas créés dans les propulseurs de Hall. L'approche la plus précise actuellement se base une description cinétique du plasma, c'est-à-dire qu'aucune hypothèse n'est faite sur la fonction de distribution des particules. Cette méthode discrétise la distribution des ions et des électrons à l'aide de macroparticules sur une grille ; pour cette raison, on la désigne souvent sous le nom de Particle-in-Cell (PIC). La charge électrique est calculée sur chaque point de la grille, et on résout l'équation de Poisson afin de déterminer le champ électrique total subi par chaque macro-particule. Le code PIC bi-dimensionnel LPPic a été développé au LPP depuis 2014 pour simuler les plans radial-azimuthal et axial-azimuthal d'un propulseur de Hall. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons de développer et de tester un code PIC 2D, simulant le plan radial-axial (rz) d'un propulseur de Hall. Bien que des exemples de simulations de plasma dans le plan radial-axial (rz) d'un propulseur existent dans la littérature, peu d'études reposent sur une description entièrement PIC des espèces chargées. De plus, nous proposons d'étudier l'influence du changement de géométrie des diélectriques (due à l'érosion) sur le plasma dans le propulseur. A notre connaissance, ceci n'a encore jamais été réalisé avec un code PIC 2D.