Academic literature on the topic 'Propulseur Hall'

AbstractBluegill sunfish pectoral fins represent a remarkable success in evolutionary terms as a means of propulsion in challenging environments. Attempts to mimic their design in the context of autonomous underwater vehicles have overwhelmingly relied on the analysis of steady swimming. Experimental observations of maneuvers reveal that the kinematics of fin and wake dynamics exhibit characteristics that are distinctly different from steady swimming. We present a computational analysis that compares, qualitatively and quantitatively, the wake hydrodynamics and performance of the bluegill sunfish pectoral fin for two modes of swimming: steady swimming and a yaw turn maneuver. It is in this context that we comment on the role that flexibility plays in the success of the pectoral fin as a versatile propulsor. Specifically, we assess the performance of the fin by conducting a “virtual dissection” where only a portion of fin is retained. Approximately 90% of peak thrust for steady swimming is recovered using only the dorsal half. This figure drops to 70% for the yaw turn maneuver. Our findings suggest that designs based on fin analysis that account for various locomotion modes can lead to more robust performance than those based solely on steady swimming.

AbstractNavigation of autonomous surface vessels, less than 20 m in length, in large sea states is difficult and often precludes successful completion of the assigned mission or, in the worst case, survivability. Operation in high seas requires sensing of the local wave environment and determining a vessel trajectory that maximizes survivability based on knowledge of the vessel response functions and prediction of the incident wave field forward in time. To achieve this objective, new technologies are being developed and tested in full scale at the Marine Autonomy Research Site (MARS), located in central Lake Superior and operated by Michigan Technological University. In this initial set of experiments, a skilled human operator was used as a surrogate for an envisioned wave-adaptive autonomous control system. The test vehicle is a fully instrumented personal watercraft, operated by a U.S. Coast Guard-trained surf-boat operator in moderate sea states with Froude number (Fr) = 1.0 through a course consisting of up-wave, cross-wave, and down-wave legs. Results dramatically document that the wave-dodging maneuvers employed are designed to minimize vessel pitch (preserve propulsor and rudder control) while allowing increased vessel roll. Comparisons of the straight line with wave-dodging circuits during constant sea state conditions show that vehicle roll is at times twice greater in wave-dodging runs while vehicle pitch averages half to one third of that in the straight-line course. These data suggest that optimum paths do exist through steep, evolving incident wave fields and these optimum paths can produce significant improvements in vessel survivability.

Practice shows that with insufficiently high traction qualities of traction vehicles deteriorate its operational properties. At present, extensive research is under way at home and abroad to find inexpensive but highly effective ways and techniques to improve the traction qualities of vehicles. The design of running systems with reduced resistance to movement and slipping will help to significantly increase the productivity of vehicles and reduce fuel consumption. This, in turn, will contribute to greater operational efficiency for traction vehicles. The authors of this study have developed the design of a traction vehicle with a half-tracked propulsor. The objective of the study is to develop a mathematical model for calculating the efficiency of operating a traction vehicle equipped with a half-tracked propulsior with rubber tracks. The proposed mathematical expression takes into account the deformability of the rubber tracks of the propulsor, the uneven distribution of normal pressure along the length of the track, slipping, geometric parameters of the propulsor and the physical and mechanical properties of the soil. Using numerical methods, calculations were carried out to determine the effect of the tangential tractive force on the slipping of a wheeled traction vehicle with a different layout of the running system. The dependences of the amount of slipping on the tangential thrust force are determined. It has been found that with an increase in the traction force, the slipping increases, however, the intensity of growth of a half-tracked propulsor compared to a wheeled propulsor is much lower.

Abstract Many ecological factors influence animal movement, including properties of the media that they move on or through. Animals moving in terrestrial environments encounter conditions that can be challenging for generating propulsion and maintaining stability, such as inclines and deformable substrates that can cause slipping and sinking. In response, tetrapods tend to adopt a more crouched posture and lower their center of mass on inclines and increase the surface area of contact on deformable substrates, such as sand. Many amphibious fishes encounter the same challenges when moving on land, but how these finned animals modulate their locomotion with respect to different environmental conditions and how these modifications compare with those seen within tetrapods is relatively understudied. Mudskippers (Gobiidae: Oxudercinae) are a particularly noteworthy group of amphibious fishes in this context given that they navigate a wide range of environmental conditions, from flat mud to inclined mangrove trees. They use a unique form of terrestrial locomotion called ‘crutching’, where their pectoral fins synchronously lift and vault the front half of the body forward before landing on their pelvic fins while the lower half of the body and tail are kept straight. However, recent work has shown that mudskippers modify some aspects of their locomotion when crutching on deformable surfaces, particularly those at an incline. For example, on inclined dry sand, mudskippers bent their bodies laterally and curled and extended their tails to potentially act as a secondary propulsor and/or anti-slip device. In order to gain a more comprehensive understanding of the functional diversity and context-dependency of mudskipper crutching, we compared their kinematics on different combinations of substrate types (solid, mud, dry sand) and inclines (0°, 10°, 20°). In addition to increasing lateral bending on deformable and inclined substrates, we found that mudskippers increased the relative contact time and contact area of their paired fins while becoming more crouched, responses comparable to those seen in tetrapods and other amphibious fishes. Mudskippers on these substrates also exhibited previously undocumented behaviors, such as extending and adpressing the distal portions of their pectoral fins more anteriorly, dorsoventrally bending their trunk, “belly-flopping” on sand, and “gripping” the mud substrate with their pectoral fin rays. Our study highlights potential compensatory mechanisms shared among vertebrates in terrestrial environments while also illustrating that locomotor flexibility and even novelty can emerge when animals are challenged with environmental variation.

Les propulseurs à effet Hall sont utilisés pour le maintien en poste des satellites géostationnaires. La singularité de ce type de moteur est l'utilisation d'un champ magnétique dont le rôle est de piéger des électrons et de permettre la formation d'une région à fort champ électrique. Les ions formés sont accélérés dans ce champ électrique puis extraits du plasma pour fournir la poussée. La compréhension du transport des électrons à travers les lignes de champ magnétique reste un enjeu crucial pour prédire le fonctionnement du moteur. Plusieurs mécanismes de transport comme les phénomènes collisionnels et la turbulence ont été identifiés mais leur contribution exacte n'a pas encore été élucidée. Sur la base de deux modèles numériques particulaires ("Particle-In-Cell"), composés de schémas de discrétisation des trajectoires explicite et implicite, ce travail de thèse se propose d'analyser le déroulement d'une décharge type afin d'isoler les mécanismes de transport électronique mais aussi, de mieux cerner l'influence de la turbulence plasma sur la nature de la décharge. L'accent est mis sur le caractère fortement instationnaire de celle-ci. Nous étudions aussi un mécanisme de transport particulier, gouverné par la turbulence et les collisions volumiques, à l'aide d'un modèle numérique particule-test
Hall effect thrusters are used for station-keeping of satellites in geostationary orbit. The originality of this kind of thruster is the use of a magnetic field which traps the electrons and creates a high electric field region. In this region, the ions are accelerated and extracted from the plasma to provide a thrust. Electron transport across the magnetic field lines is a major issue in predicting the thruster performance. Several transport mechanisms as collision phenomena and plasma turbulence have been identified to play a role but their exact contribution is still not clear. Based on two numerical particle models ("Particle-In-Cell"), composed of an explicit and implicit trajectory-tracking schemes, this work thesis aims at analyzing the proceeding of a discharge in order to isolate the transport mechanisms of electrons. It also aims at providing a better understanding of the plasma turbulence on the discharge behavior. We emphasize the strong unstationnary character of the discharge. We also study a particular transport mechanism, governed by turbulence and volumic collisions, using a particle-test numerical model

Un des grands défis de l'exploration spatiale est de développer des engins spatiaux capables de parcourir de grandes distances avec le moins de carburant possible. Les propulseurs électriques, comme par exemple le propulseur à effet Hall, permet cela grâce à des vitesses d'éjection très élevées. J'ai cherché à comprendre pendant ma thèse la physique du fonctionnement de ces moteurs, en utilisant des modèles numériques et des diagnostics adaptés. Mon groupe d'accueil travaille depuis une dizaine d'années sur la modélisation hybride de ces moteurs. Pourtant la description fluide des électrons dans ce type de modèle pose encore un certain nombre de problèmes. Le premier, lié à la résolution des équations fluides en 2D, a été résolu grâce à un nouvel algorithme de résolution. Celui-ci nous permet désormais de modéliser plus facilement des moteurs à champ magnétique complexe. Le deuxième concerne la description du transport électronique, mal connu dans la configuration de ces moteurs. Une étude approfondie des résultats d'un modèle particulaire dans les directions axiale et azimutale m'a permis de montrer clairement l'influence d'une onde azimutale de champ électrique, présente dans le moteur, sur le transport électronique. L'étude de mesures expérimentales par spectroscopie laser m'a aussi permis de développer une nouvelle méthode capable d'extraire de ces mesures le profil du champ électrique et du terme source d'ionisation dans le moteur. La comparaison de ces mesures aux résultats du modèle hybride a mis en évidence les limites de la description du transport électronique utilisée jusque-là. Elle a aussi permis de définir une voie possible vers l'amélioration de notre modèle
One of the greatest challenges in space exploration is to develop spacecrafts capable of covering great distances with little fuel. Electric thrusters, among which is the Hall effect thruster, are capable of this thanks to their high exhaust velocity. During my PhD, I have tried to understand the physics involved in these thrusters, by means of numerical models and accurate diagnostics. My hosting group has been working on hybrid modeling of these thrusters for about ten years. However, the electron fluid description in such models is still a challenge. One of the problems of the fluid model is the difficulty of solving the fluid equations in 2D. This first problem has been overcome by using a new algorithm. This algorithm makes it now easier to study thrusters with complex magnetic fields. The second problem concerns electron transport which is not well understood. A deep study of a fully particle model in the axial and azimuthal directions has shown that an azimuthal electric field wave, present in the thruster, enhances the electron transport. Also, I have developed a new method to extract the electric field and ionization term profiles from laser spectroscopy measurements. The comparison between these results and those obtained with our hybrid model shows the limit of the electron transport description used until now. This comparison has also shown a possible path to follow in order to correctly describe the electron transport in hybrid models for Hall effect thrusters

Dans un propulseur à courant de Hall, la création des ions et leur accélération sont régis par le même phénomène physique. L'idée du propulseur de Hall double étage (DSHT) est de découpler l'ionisation du gaz (poussée) et l'accélération des ions (ISP), de sorte à rendre le système davantage versatile. Les travaux menés durant cette thèse visent à démontrer, grâce à des essais expérimentaux, la pertinence et la faisabilité d'un tel concept. Dans un premier temps, un prototype de DSHT, baptisé ID-HALL, a été conçu et assemblé. Il est constitué d'une source inductive magnétisée insérée dans un tube en céramique et d'un étage d'accélération identique à une barrière magnétique de propulseur simple étage. La source inductive a été optimisée de sorte à réduire le couplage capacitif et à maximiser l'efficacité du transfert de puissance par ajout de pièces en ferrite et diminution de la fréquence RF d'excitation. Dans un deuxième temps, la source inductive du propulseur a été caractérisée indépendamment du propulseur en argon et xénon pour différentes pressions. Le dispositif expérimental a permis notamment de tracer une cartographie 2D de la densité et de la température. Enfin, le propulseur a été monté dans son caisson et des mesures préliminaires (caractéristiques courant-tension, mesures par sonde RPA) ont été menées. En parallèle, des simulations utilisant un modèle hybride 2D ont été effectuées en mode simple et double étage. Elles mettent en évidence un fonctionnement versatile du moteur pour des tensions inférieures à 150 V. A terme, on visera à démontrer que la densité de courant et l'énergie des ions peuvent être, dans certaines conditions, significativement découplées
In Hall thrusters, the same physical phenomenon is used both to generate the plasma and to accelerate ions. Furthermore, only a single operating point is experimentally observed. The double stage Hall thruster (DSHT) design could allow a separate control of ionization (thrust) and ions acceleration (ISP) to make the system more versatile. The work carried out during this PhD aims to experimentally demonstrate the relevance and the feasibility of this concept. Firstly, a new design of DSHT, called ID-HALL, was proposed and a new prototype was built. It combines the concentric cylinder configuration of a single stage Hall thruster with a magnetized inductively coupled RF plasma source (ICP) whose coil is placed inside the inner cylinder. The ICP source was improved in terms of power coupling efficiency by adding ferrite parts and by decreasing the heating RF frequency. The ICP source used in the ID-HALL thruster was then characterized independently of the thruster using argon and xenon and varying pressure. The experimental setup has allowed to measure the spatial variations of the electron density and temperature. Finally, the thruster was mounted in its vacuum chamber and preliminary measures (voltage-current characteristics, RPA measurements) were led. At the same time, simulations using a two-dimensional hybrid model were performed in single and double stage. A versatile operation for voltages lower than 150 V was highlighted. An emphasis will be given to demonstrate that the current density (given by the ion flux probe) and the ions energy (given by the RPA) might be significantly decoupled

L'essor des activités spatiales pour satellite a permis le développement de nombreuses technologies de propulseurs électriques. Parmi elles, le propulseur à courant de Hall connaît un intérêt grandissant de par son coût, ses caractéristiques de poussée et d'impulsion spécifique. Si cette technologie existe depuis au moins cinquante ans, il n'en demeure pas moins que simuler et comprendre son fonctionnement reste hors de portée. La dynamique des particules chargées en configuration de champs croisés ExB est riche d'instabilités dont le rôle dans le fonctionnement du propulseur n'a pas atteint un consensus scientifique. Cette thèse propose de reprendre l'approche appelée "Particle-in-cell"(PIC) qui consiste à suivre les trajectoires individuelles de particules chargées dans l'espace des phases soumises à un champ électrique solution de l'équation de Poisson et calculé sur une grille de calcul. Cette méthode numérique dans sa version explicite doit répondre à des contraintes de pas d'espace et de temps qui se durcissent avec l'augmentation de la densité électronique. En trois dimensions de l'espace, l'algorithme classique PIC ne peut être appliqué aux conditions réelles d'un propulseur. Une approche récente permet de contourner ce problème au moyen de méthodes numériques de grilles parcimonieuses, appelée "Sparse-PIC". Elle repose sur le principe d'annulation des erreurs de grille lorsque l'on combine des sous-grilles de maillage grossier afin de représenter la solution sur la grille de maillage fin. Les performances de calcul obtenues avec le code implémenté pendant la thèse ont permis d'appliquer cette nouvelle approche à une configuration de champs croisés ExB dans un modèle réduit de propulseur de Hall
The boom in satellite space activities has led to the development of numerous electric thruster technologies. Among these, the Hall current thruster is attracting growing interest due to its cost, thrust and specific impulse characteristics. Although this technology has been around for at least fifty years, simulating and understanding its operation remains out of reach. The dynamics of charged particles in the ExB cross-field configuration are rich in instabilities whose role in thruster operation has not yet reached scientific consensus. In this thesis, we propose to take up the "Particle-in-cell" (PIC) approach, which consists in tracking the individual trajectories of charged particles in phase space subjected to an electric field that is a solution of Poisson's equation and calculated on a computational grid. In its explicit version, this numerical method has to meet space and time step constraints that harden with increasing electron density. In three spatial dimensions, the classical PIC algorithm cannot be applied to real thruster conditions. A recent approach, called "Sparse-PIC", circumvents this problem by means of sparse grid methods. It is based on the principle of cancelling grid errors when combining coarse-mesh sub-grids to represent the solution on the fine-mesh grid. The computational performance obtained with the code implemented during the thesis has enabled us to apply this new approach to an ExB cross-field configuration in a reduced Hall thruster model

La cathode creuse est un élément clef des propulseurs à plasma. Dans un propulseur à plasma, un gaz propulsif est ionisé dans un canal de décharge puis accéléré hors de celui-ci afin de créer la poussée. Dans le propulseur de Hall en particulier, l'ionisation du gaz est provoquée par l'injection dans le canal de décharge d'un intense courant électronique (de quelques ampères à plus d'une centaine d'ampères). L'élément chargé de fournir le courant électronique de la décharge, la cathode creuse, est crucial dans le fonctionnement du propulseur. Or, celle-ci est souvent idéalisée dans les modèles de propulseur et n'est que rarement étudiée pour sa physique propre. Pourtant, le développement de propulseurs de Hall de haute puissance, destinés à terme à équiper l'ensemble des missions spatiales, requiert la mise au point de cathodes capable de délivrer un fort courant (jusqu'à plus de 100 A) sur des durées de l'ordre de la dizaine de milliers d'heures. Or, la mise au point de nouvelles cathodes s'est révélée difficile en raison de l'absence de modèle susceptible de prédire a priori les performances d'une cathode en fonction de sa conception. On se propose ici de mettre en place un modèle prédictif de cathode creuse capable de retranscrire la physique du fonctionnement de la cathode. L'objectif in fine est bien sûr d'utiliser ce modèle afin de faire le lien entre la conception de la cathode et son fonctionnement dans le but de guider le développement de futures cathodes. On présentera tout d'abord brièvement le contexte d'application des cathodes creuses, et on donnera un rapide aperçu du principe de fonctionnement global de la cathode. Ensuite, après avoir effectué un tour d'horizon des différents modèles numériques de cathode creuse préexistants dans la littérature, on détaillera le modèle de la cathode développé ici, qui incorpore une description fluide du plasma, ainsi que des transferts thermiques aux parois, qui conditionnent en grande partie le bon fonctionnement de la cathode. Un soin particulier sera apporté à la validation des résultats de simulation vis-à-vis des mesures expérimentales disponibles dans la littérature, ce qui nous permettra de perfectionner certains points du modèle afin de mieux traduire la réalité physique. En particulier, une modélisation spécifique de la région de transition entre la décharge interne de la cathode et la plume du propulseur sera réalisée. Ce modèle permettra de mettre en évidence certains phénomènes d'instabilité du plasma spécifiques de cette décharge, qui ont été jusqu'ici observés expérimentalement mais jamais pleinement intégrés aux modèles de cathode creuse. A l'aide du modèle validé, on procèdera à l'analyse physique de l'ensemble des phénomènes qui gouvernent le fonctionnement d'une cathode particulière, la cathode NSTAR développée par la NASA au Jet Propulsion Laboratory. Ensuite, on s'appuiera sur le modèle numérique pour comprendre l'impact sur le fonctionnement de la cathode des choix de conception au travers d'une étude paramétrique autour de la cathode NSTAR. Les tendances dégagées nous permettront de formuler des recommandations quant au développement de cathodes de haute puissance. Enfin, dans le but d'illustrer la versatilité du modèle développé, le comportement d'une cathode creuse employant une géométrie alternative à la cathode NSTAR sera également présenté
A hollow cathode is a critical component of plasma thrusters. In a plasma thruster, a propellant gas is ionized in a discharge chamber and accelerated out of it so as to generate thrust. In Hall thrusters in particular, the ionization of the gas is caused by an intense electron current (from a few to hundred amps) which flows through the discharge chamber. The hollow cathode is the device which is responsible for providing the discharge current. This key element is often idealized in thruster numerical models and its physical behavior is rarely studied for its own sake. Yet, developing high power Hall thrusters, designed to propel in the long run every type of space mission, requires new hollow cathodes able to supply an intense electron current (over 100 A) over a duration on the order of ten thousand hours. So far, designing new cathodes proved difficult because of the lack of model capable of predicting the performance of a cathode based on its design. In this work, we build up a predictive model of a hollow cathode capable of simulating the physics relevant to the operation of the cathode. In the end, we aim at using this model to associate design characteristics of the cathode to key aspects of the cathode performance during operation. Our goal with this model is to guide the development of future high power hollow cathodes. We will first briefly describe the range of application of hollow cathodes related to space propulsion. Then we will give a brief account of the working principles of the cathode and we will set the numerical models available in the literature prior to this one out. The numerical model developed in this work will then be described. It includes a fluid treatment of the plasma as well as an account of the heat fluxes to the walls which largely control the performance of the cathode. Simulation results will be thoroughly compared to experimental measurements available in the literature and specific aspects of the model will be refined to match up simulation results with the physical reality. For instance, a model that specifically represents the transition region between the internal plasma of the cathode and the plume of the cathode will be described. This model will enable us to highlight plasma instability phenomena which were so far observed experimentally, yet never properly included in hollow cathode models. Using the model just developed, we will analyze the physics of a particular hollow cathode which has been developed by NASA at the Jet Propulsion Laboratory, the NSTAR hollow cathode. Then, thanks to the numerical model, we will be able to carry out a parametric study revolving around the design of the NSTAR cathode. This will allow us to bring out the influence of the design on the cathode performance and we will eventually express recommendations regarding the design of future high power cathodes. To conclude, the versatility of the numerical model built up here will also be displayed through simulations of the behavior of a hollow cathode based on an alternate geometry

Le propulseur à plasma stationnaire, utilisé pour les changements d’orbite, est un moteur équipant les satellites géostationnaires. Son principe de fonctionnement est la création d’un plasma sous champ magnétique amenant à la génération d’un faisceau d’ions responsable de la poussée. Le but de cette thèse est de proposer un modèle numérique du propulseur et comprendre les oscillations basse fréquence du courant ionique observées expérimentalement. Dans un premier temps, on écrit un modèle axisymétrique, transitoire, quasineutre. Les équations de transport, fluides pour les électrons, cinétiques pour les particules lourdes, sont résolues respectivement grâce à un schéma aux volumes finis et une méthode particulaire. Les problèmes liés a cette méthode sont traités : instabilités de grille, terme source, coût CPU. Dans un deuxième temps, on propose un modèle qui permet de caractériser les oscillations en fonction du champ magnétique. Puis on valide qualitativement les résultats numériques.

Les propulseurs à effet Hall sont actuellement considérés comme les plus performants pour le maintien en orbite des satellites géostationnaires et commencent à être utilisés pour la propulsion principale des sondes interplanétaires. L'étude présentée porte sur le plasma allant de la cathode creuse, source d'électrons, au canal de décharge. La cathode a d'abord été étudiée seule sans propulseur pour analyser ses propriétés en montage diode. Son influence sur le comportement d'un propulseur à effet Hall de type SPT-100 a été étudiée avec le moyen d'essais PIVOINE. Les performances globales ainsi que les fluctuations basses fréquences de la décharge ont été analysées au moyen de sondes, d'antennes et par spectroscopie d'émission. Le transport électronique et les fluctuations hautes fréquences du plasma ont été étudiés expérimentalement et analysés par un traitement de signal non linéaire et non stationnaire (Empirical Mode Decomposition).

L'étude des phénomènes turbulents se développant en sortie du propulseur de Hall est nécessaire pour pouvoir modéliser le transport anormal (par opposition au transport diffusif) des électrons à travers les lignes de champ magnétique. Les relations de dispersion de deux instabilités pouvant être responsables de ce transport ont été mesurées à des échelles millimétriques à l'aide du diagnostic de diffusion collective de la lumière. Ce travail de thèse s'attache à en donner une description aussi bien théorique qu'expérimentale, pierre à l'édifice de la compréhension du transport dans le propulseur. Une instabilité se propageant majoritairement dans la direction azimutale du propulseur y est caractérisée comme étant l'instabilité de dérive électronique ExB et un modèle analytique décrivant la fréquence expérimentale y est dérivé et validé. De plus, le manuscrit présente une méthode de déconvolution du signal de la diffusion collective de la fonction d'appareil pour ce mode. Une fois déconvoluées, les relations de dispersion expérimentales peuvent être ajustées par la fréquence du modèle analytique, ce qui permet de mesurer expérimentalement et de manière originale la température et la densité électronique dans le jet d'ions énergétiques du plasma du propulseur. Enfin, la seconde instabilité, se développant autour de la direction axiale du propulseur, est caractérisée comme l'instabilité double faisceau entre les ions simplement et doublement chargés du plasma
The study of turbulent phenomena that grow at the exit plane of the Hall thruster is required to modelize the anomalous transport (in contrast to the diffusion transport) of electrons across the magnetic field lines. The dispersion relations of two instabilities that can be responsible for this transport have been mesured at millimetric scales by mean of the collective light scattering diagnostic. The aim of the thesis is to describe them theoretically as well as experimentally, improving the understanding of the Hall thruster transport. In the thesis, an instability that propagates principally azimuthally is caracterized as the ExB electron drift instability and an analytical model that describes the experimental frequency is derived and validated. In addition, the manuscript presents an original method to unfold the signal of the collective scattering diagnostic from the instrumental function of this mode. Once corrected, the experimental dispersion relations can be adjusted by the frequency given by the analytical model, allowing to measure experimentally and in an original way the electron temperature and density in the energetic ion jet of the Hall thruster plasma. The second instability that is mainly propagating in the axial direction is caracterized as the two-stream instability between the simply and doubly charged ions of the plasma

Le propulseur à effet Hall est un moteur à plasma utilisé pour le maintien en orbite et le contrôle d'attitude de satellites, et les petites missions interplanétaires. Son principe est basé sur une configuration de champs électrique et magnétique croisés pour accélérer des ions à hautes vitesses et créer ainsi une poussée. Le confinement des électrons dans une telle configuration, crucial pour son bon fonctionnement, pose le problème théorique de leur transport au travers des lignes de champ magnétique, la diffusion classique due aux collisions électron-neutre étant insuffisante. Ce travail de thèse fait la lumière sur un mécanisme de transport électronique anormal (par opposition à la diffusion classique) par la mise en évidence d'instabilités électroniques de dérive de fréquence 10-40 MHz et de longueurs d'onde de l'ordre du rayon de Larmor électronique (millimétrique) se développant en paquets de modes perpendiculaires au champ magnétique. Ces instabilités, générées par un couplage entre le mouvement cyclotronique des électrons et leur dérive, sont à l'origine d'un processus de diffusion stochastique électronique au travers des lignes de champ magnétique dont les propriétés sont proches de celles attendues dans le cadre du transport anormal.

Le Propulseur à Effet Hall est un moteur sans grille, dans lequel un champ magnétique radial confine les électrons d'un plasma formé entre deux cylindres coaxiaux diélectriques. La chute de la conductivité électronique qui en résulte permet l'établissement d'un champ électrique axial pour extraire les ions. La relativement faible poussée (100 mN) et la forte impulsion spécifique (vitesse des ions éjectés de 20 km/s) rendent le propulseur bien adapté aux tâches de maintien sur orbite des satellites ou de petits transferts d'orbite.

L'étude porte sur la modélisation des phénomènes physiques dans le propulseur associée à une étude expérimentale, plus limitée, et destinée à valider ou compléter les modèles. La modélisation est basée sur une description des phénomènes de transport des particules (électrons, ions, neutres) en champs électrique et magnétique croisés. Un modèle développé au CPAT a été complété et utilisé pour chercher les conditions optimales de fonctionnement, en particulier l'étude de la configuration magnétique des moteurs à Effet Hall existants. De plus, nous avons développé un modèle pour étudier de nouveaux concepts de moteurs à Effet Hall, en particulier un moteur à Effet Hall à Double Etage, dans lequel on cherche à contrôler séparément la génération du plasma et l'accélération des ions.
La partie expérimentale a consisté à utiliser des techniques de diagnostics plasma (interférométrie de Fabry-Pérot) permettant de mesurer la distribution du champ électrique dans le système, résultant de la présence du plasma et des tensions appliquées aux électrodes. Les mesures ont été effectuées sur le moyen d'essai PIVOINE installé à Orléans. La confrontation systématique des résultats expérimentaux et de simulation a permis de mieux définir les possibilités et les limites du modèle et d'en améliorer ses capacités prédictives.

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) designs typically have aerodynamic configurations that result in complex aerodynamic and acoustic conditions, such as wing and propeller interaction. In response, the Aerodynamic and Acoustic Rotorprop Test (AART) Program was implemented, a primary objective of which was to determine the aerodynamics and acoustics related to an auxiliary propulsor mounted behind an isolated wing in the National Full-Scale Aerodynamics Complex (NFAC) 40-by 80-Foot Wind Tunnel. Three configurations (no wing, half wing, and full wing) were tested, with conditions including variation of the propeller speed, wind tunnel Mach number, and yaw. The acoustic setup, processing, and analysis are discussed along with the known issues for this complex data set. The interaction of upstream bodies and the resulting substantial increase in acoustic emissions are detailed.