Tesis: "Propulseur Hall"

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Coche, Philippe. "Modélisation cinétique d’un propulseur à effet Hall". Toulouse 3, 2013. http://thesesups.ups-tlse.fr/1995/.

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Resumen

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

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Perez, Luna Jaime. "Modélisation et diagnostics d'un propulseur à effet Hall". Toulouse 3, 2008. http://www.theses.fr/2008TOU30155.

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Resumen

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

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Dubois, Loic. "Etudes expérimentales du concept de propulseur de Hall double étage". Thesis, Toulouse 3, 2018. http://www.theses.fr/2018TOU30320/document.

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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

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Chung, To Sang Marc. "Transport électronique et émission secondaire électronique dans un propulseur de Hall". Electronic Thesis or Diss., Université de Toulouse (2023-....), 2024. http://www.theses.fr/2024TLSES077.

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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

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Sary, Gaétan. "Modélisation d'une cathode creuse pour propulseur à plasma". Thesis, Toulouse 3, 2016. http://www.theses.fr/2016TOU30182/document.

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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

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Chable, Stéphane. "Modélisation numérique d'un propulseur à plasma stationnaire". Toulouse, ENSAE, 2003. http://www.theses.fr/2003ESAE0007.

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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.

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Albarède, Luc. "Etudes expérimentales d'un propulseur à effet Hall : comportement stationnaire et dynamique du flux d'électrons". Orléans, 2004. http://www.theses.fr/2004ORLE2070.

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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).

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Cavalier, Jordan. "Modèles cinétiques et caractérisation expérimentale des fluctuations électrostatiques dans un propulseur à effet Hall". Thesis, Université de Lorraine, 2013. http://www.theses.fr/2013LORR0130/document.

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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

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Ducrocq, Alexandre. "Rôle des instabilités électroniques de dérive dans le transport électronique du propulseur à effet Hall". Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2006. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00002029.

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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.

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Boniface, Claude. "Modélisation et diagnostic d'un propulseur à effet Hall pour satellites : configuration magnétique et nouveaux concepts". Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00164160.

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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.

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Boniface, Claude. "Modélisation et diagnostics d'un propulseur à effet Hall pour satellites : configuration magnétique et nouveaux concepts". Toulouse 3, 2006. http://www.theses.fr/2006TOU30016.

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Resumen

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
Hall Effect Thrusters (HETs) are gridless ion engines where a magnetic field barrier is used to impede the electron motion toward the anode and generate a large electric field that provides collisionless ion acceleration. The thrust is about 100 mN and the specific impulse of HETs is in the range 1600-2000 s (i. E. The velocity of ejected xenon ions is on the order of 16-20 km/s). The thrust and the specific impulse of standard Single Stage HETs are well adapted to the missions of orbit correction and station keeping. The goal here is to model the physical phenomena occurring in such a thruster, and, in correlation with experimental studies, to validate and/or improve the assumptions of the model. The model describes the transport of the electrons, ions, and neutrals in crossed electric and magnetic fields. The model developed at CPAT was extended and used to identify conditions for optimal operation of the thruster, with particular attention to the influence of the magnetic field distribution on the thruster operation. In addition, we developed a model to study new thuster concepts such as a Double Stage Hall Effect Thruster, where ionization and acceleration are accomplished in two stages. The experimental study involved using specific plasma diagnostics (Fabry-Perot Interferometry) in order to measure the electric field distribution in the thruster. Measurements were made at the PIVOINE test facility in Orléans. Systematic comparisons between experimental results and simulations allowed us to define more clearly the limits of the model and to improve its predictive ability

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Vilamot, Raphaël. "Optimisation de la configuration magnétique d'un propulseur à effet Hall par résolution du problème magnétostatique inverse". Phd thesis, Toulouse, INPT, 2012. http://oatao.univ-toulouse.fr/14668/1/vilamot.pdf.

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Les travaux effectués lors de cette thèse portent sur l'optimisation de la configuration magnétique des propulseurs à effet Hall. Ceci regroupe deux objectifs: d'une part la réalisation d'un propulseur à effet Hall dont la topologie magnétique est entièrement paramétrable, ce qui constituera un outil précieux pour l'étude de l'impact du champ magnétique sur le fonctionnement du propulseur et d'autre part, l'étude de moyen de conception rationalisée de circuits magnétiques pour ces mêmes propulseurs. Le premier sujet a conduit à la réalisation du PPS-Flex, un propulseur proposant une structure de circuit magnétique innovante offrant un grand nombre de degrés de liberté en termes de réglage du champ magnétique produit. La deuxième thématique a quant à elle été abordée en s'appuyant sur des méthodes d'optimisation (paramétrique et topologique) permettant d'aboutir à un circuit magnétique optimal pour un ou plusieurs critères de conception (fidélité du champ magnétique généré, minimisation de la masse, du volume total, etc.)

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Garnier, Yvan. "Pulvérisation ionique de matériaux céramiques dans le cadre de la caractérisation d'un propulseur à effet hall". Toulouse, ENSAE, 1999. http://www.theses.fr/1999ESAE0023.

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L'érosion des parois en céramique, constituant la canal des propulseurs à plasma (SPT), sous l'impact des ions xénon (350 eV), est un des processus physiques à caractériser. La démarche expérimentale a concerné l'étude du bombardement ionique de quatre matériaux céramiques et d'un matériau verre. La métrologie du rendement de pulvérisation est faite à partir d'une caractérisation exhaustive du flux de particules incident, et aussi au moyen d'un protocole expérimental rigoureux pour déterminer les pertes de masses engendrées par l'érosion. Des analyses de surfaces d'échantillons cibles sont venues compléter ce travail afin d'améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu. Enfin, deux modèles d'étude ont été développés pour comprendre au mieux l'érosion des matériaux céramiques qualifiés de "simples", et de "composites". Grâce aux résultats obtenus, confrontés aux diverses observations, on comprend le rôle important de la rugosité de surface, qui peut évoluer différemment en cours d'érosion suivant la nature de la céramique bombardée.

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Rossi, Alberto. "Développement d'outils d'optimisation dédiés aux circuits magnétiques des propulseurs à effet Hall". Phd thesis, Toulouse, INPT, 2017. http://oatao.univ-toulouse.fr/19234/1/ROSSI_Alberto_public.pdf.

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Aujourd’hui les propulseurs à effet Hall ont gagné une position dominante dans le marché des propulseurs électriques spatiales. Ce grand succès est du surtout à leur simplicité de réalisation (par rapport aux autres typologies des propulseurs) et à leur efficacité (par rapport aux propulseurs chimiques traditionnels). Les propulseurs à effet Hall sont aujourd’hui utilisés sur un très grand nombre des plateformes satellitaires (surtout pour les télécommunications). Les composants principales d’un propulseur à effet Hall sont : le circuit magnétique, le canal plasma, l’anode (placé au fond du canal plasma avec injecteur du gaz) et la cathode (placée à l’extérieur du canal plasma). Le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall est basé sur la génération d’un champ électrique axial (généré entre l’anode et la cathode) et d’un champ magnétique radial (perpendiculaires entre eux). Le champ magnétique a le rôle de former une zone de très forte concentration électronique (il emprisonne les électrons générés par la cathode) pour permettre aux atomes neutres du gaz de se ioniser. Le champ électrique a le rôle d’accélérer les ions vers l’extérieur du canal. Cette accélération génère la poussée. Le champ magnétique joue un rôle crucial dans le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall. La forme du champ magnétique impacte sur les performances propulsifs et sur l’érosion du propulseurs. La topologie magnétique classique des propulseurs à effet Hall n’a subi presque pas des changements depuis les années de développement de cette technologie parce qu’elle garanti des performances propulsifs assez satisfaisantes. Aujourd’hui, avec les nouvelles exigences propulsifs, il y a une très forte nécessité des moteurs avec une durée de vie plus longue. Des nouvelles topologie magnétique innovante sont proposés aujourd’hui comme par exemple le "Magnetique-Shielding" ou le "Wall-Less" . Ces topologies magnétique bouleverse complètement la topologie magnétique classique (en gardant des performances propulsif satisfaisantes) pour protéger le moteur de l’érosion du plasma. Dans cette thèse une autre approche a été adopté. Nous avons pensé d’utiliser une topologie magnétique classique et de déplacer les parties du circuit magnétique attaquées par l’érosion vers des zones moins dangereuses. Nous avons agit sur la forme du circuit magnétique et pas sur la forme de la topologie magnétique pour garder les même performances propulsifs de la topologie magnétique classique. L’objectif de la thèse était de créer des outils pour le design et l’optimisation des circuits magnétiques des propulseurs à effet Hall. Un algorithme nommé ATOP a été créé dans l’équipe de recherche GREM3 du laboratoire LAPLACE de Toulouse. Cette thèse a contribué à la création de la section d’optimisation paramétrique (ATOPPO) et d’une section d’optimisation topologique basée sur les algorithmes génétiques (ATOPTOga) de l’algorithme ATOP. Les algorithme conçues dans cette thèse permettent d’optimiser des propulseurs existants (en terme de forme, masse et courant) ou de concevoir des nouveaux propulseurs (nécessité de concevoir un nouveau propulseur capable de reproduire une topologie magnétique précise). Les algorithmes développées ont démontrés leur efficacité à travers leur application sur un propulseur réel, le PPS-1350-E® de SAFRAN. Ce propulseur a été optimisé en terme de masse et de courant bobines (minimisation de la masse et du courant bobines). Les algorithmes développés ont démontré donc leur efficacité comme instrument d’optimisation et de design. Ces deux algorithmes ont été utilisé pour le design d’un circuit magnétique innovant qui a comme objectif de réduire l’érosion du moteur. Les résultats de ce processus de design ont amené à la réalisation et à la construction d’un prototype qui possède la même topologie magnétique du propulseur PPS- 1350-E® commercialisé par SAFRAN mais avec une circuit magnétique de forme différente.

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Gawron, Damien. "Phénomènes de transport ionique dans le plasma d’un propulseur à effet Hall à forte puissance : étude par spectroscopie laser". Orléans, 2007. http://www.theses.fr/2007ORLE2061.

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Les satellites comportent un système de propulsion leur permettant de faire les ajustements de trajectoire nécessaires au respect de l'orbite prévue. Les propulseurs électriques à effet Hall sont une bonne alternative à la propulsion chimique en raison d’une masse réduite d’ergol embarqué. Les propulseurs à effet Hall sont bien adaptés à des missions nécessitant une grande impulsion spécifique et une faible poussée. La poussée délivrée par ces moteurs résulte de la création puis de l’accélération d’ions de xénon dans une décharge électrique à travers une barrière magnétique. L’étude présentée concerne les propriétés des ions dans deux propulseurs à effet Hall de taille différente. Des mesures de la vitesse des ions ont été effectuées par interférométrie de Fabry-Pérot et par spectroscopie laser de manière moyennée et résolue dans le temps. La vitesse des ions étant directement liée au potentiel permettant leur accélération, il a été possible d’étudier l’évolution de ce potentiel et du champ électrique correspondant avec les paramètres du moteur, notamment la tension de décharge et le champ magnétique. Les effets d’oscillations à basse et moyenne fréquences du courant anodique sur la vitesse des ions ont aussi pu être observés. Ces mesures ont montré que les zones dans lesquelles les ions étaient créés et accélérés étaient couplées. Des tendances ont pu être dégagées pour l’évolution du recouvrement de ces zones avec les paramètres du moteur. Des explications à ces phénomènes ont aussi été proposées. Tous les résultats expérimentaux présentés ont aussi pour but de contribuer au développement de modèles théoriques simulant le comportement d’un propulseur à effet Hall.

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Bogopolsky, Guillaume. "Exploration des méthodes pour la simulation numérique des propulseurs à effet Hall". Electronic Thesis or Diss., Université de Toulouse (2023-....), 2025. http://www.theses.fr/2025TLSEP015.

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Au cours des quinze dernières années, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a connu une augmentation exponentielle. Le coût élevé des lancements spatiaux a poussé les fabricants à adopter des technologies de propulsion plus efficaces, telles que les propulseurs électriques. Les propulseurs à effet Hall appartiennent à cette catégorie et ont démontré une efficacité remarquable ainsi qu'une durée de vie accrue pour les transferts orbitaux, le maintien à poste orbital et l'exploration spatiale. Cependant, la physique de ces propulseurs n'est pas encore totalement comprise, notamment en ce qui concerne l'érosion anormale de la paroi céramique au niveau du plan de sortie du propulseur, ainsi que les différentes instabilités qui apparaissent sur une large gamme de fréquences, telles que les "spokes" rotatifs, les modes de respiration, les instabilités de gaine et de dérive des électrons. Ces phénomènes empêchent une modélisation simple des propulseurs et, par conséquent, complexifient le développement de moteurs à poussées plus élevées et plus efficaces, qui doit donc encore se faire de manière empirique.Face à ces défis, les simulations numériques se sont imposées comme un outil crucial pour améliorer notre compréhension et prédire le comportement des propulseurs à effet Hall. À cette fin, le CERFACS, en collaboration avec Safran Aircraft Engines et le Laboratoire de Physique des Plasmas, développe depuis 2016 le code AVIP. AVIP est un outil de simulation massivement parallélisé qui utilise une grille non-structurée et supporte à la fois les approches lagrangienne (Particle-in-Cell, ou PIC) et eulérienne (fluide), offrant ainsi une flexibilité dans la modélisation des différentes dynamiques du plasma du propulseur. Les premiers résultats obtenus avec AVIP ont permis des études détaillées des instabilités azimutales caractéristiques des propulseurs à effet Hall.L'objectif principal de cette thèse était d'étudier et de finaliser une version d'AVIP capable de réaliser des simulations de haute fidélité des propulseurs à effet Hall avec un équilibre entre le coût de calcul et la précision, en exploitant à la fois les modèles PIC et fluides. Nous avons explicité les détails de mise en œuvre des éléments nécessaires pour un tel solveur dans un cadre parallèle non structuré basé sur le solveur industriel AVBP, et détaillé les défis numériques et d'optimisation qui en découlent. Ensuite, la capacité de ce code à effectuer des calculs de plasma a été évaluée sur cas test 1D ainsi que sur une configuration 2D représentative d'un propulseur à effet Hall et montrant des traces de l'instabilité de dérive électronique. Enfin, une décharge de Penning a été simulée dans le cadre d'un benchmark international en utilisant la méthode PIC afin de vérifier notre capacité à capturer les "spokes" rotatifs et de définir un cas de référence pour de futures simulations fluides
In the last fifteen years, the number of satellites orbiting Earth has shown an exponential increase. The high cost of space launches has driven manufacturers towards more efficient propulsion technologies, such as electric thrusters. Hall thrusters belong to this category, and have shown remarkable efficiency and life time for orbital transfers, orbital station-keeping and space exploration applications. However, their physics is not yet fully understood, such as the abnormal erosion of the ceramic material at the thruster's exit plane, and the various instabilities that appear across a range of frequencies, including rotating spokes, breathing modes, sheath instabilities and electron drift instabilities. Notably, they prevent a simple modeling of the thrusters and thus a simple scaling of the technology in order to reach higher thrust and optimize efficiency, which has to be done empirically.Given these challenges, computer simulations have emerged as a crucial tool for advancing our understanding and predicting the behavior of Hall thrusters. To this end, CERFACS, in collaboration with Safran Aircraft Engines and the Laboratoire de Physique des Plasmas, has been developing the AVIP code since 2016. AVIP is a massively parallelized simulation tool that employs an unstructured grid and supports both Lagrangian (Particle-in-Cell, or PIC) and Eulerian (fluid) approaches, offering flexibility in modeling different aspects of the thruster's plasma dynamics. Initial results using AVIP enabled detailed studies of the azimuthal instabilities characteristic of Hall thrusters.The primary objective of this thesis was to investigate and finalize a version of AVIP that can perform high-fidelity simulations of Hall thrusters with a balance between computational cost and precision, leveraging both PIC and fluid models. We have explicited the implementation details of the required elements for such as solver in a parallel unstructured framework based on the industry standard solver AVBP, and detailed the numerical and optimization challenges that arise. Then, its capacity to perform plasma computation is evaluated on a 1D benchmark setup and a 2D setup representative of a Hall thruster and showing traces of the Electron Cyclotron Drift Instability. Then, a Penning discharge is computed in the context of an international benchmark using the PIC method in order to verify our ability to capture spoke instabilities and setup a reference case for future fluid simulations

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Croes, Vivien. "Plasma discharge 2D modeling of a Hall thruster". Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLX060/document.

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Alors que les applications spatiales prennent une place de plus en plus cruciale dans nos vies, les coûts d'opération des satellites doivent être réduits. Ceci peut être obtenu par l'utilisation de systèmes de propulsion électriques, plus efficients que leurs homologues chimiques traditionnellement utilisés. Une des technologies de propulsion électrique la plus performante et la plus utilisée est le propulseur à effet Hall, toutefois ce système reste complexe et peu compris. En effet de nombreuses questions, concernant le transport anormal des électrons ou les interactions plasma/paroi, sont encore ouvertes.Les réponses à ces questions sont basées sur des mécanismes cinétiques et donc ne peuvent être résolues par des modèles fluides. De plus les caractéristiques géométriques et temporelles de ces mécanismes les rendent difficilement observables expérimentalement. Par conséquent nous avons, pour répondre à ces questions, développé un code cinétique bi-dimensionnel.Grâce à un modèle simplifié de propulseur à effet Hall, nous avons observé l'importance de l'instabilité de dérive électronique pour le transport anormal. Ensuite en utilisant un modèle réaliste de propulseur, nous avons pu étudier les effets des interactions plasma/paroi sur la décharge plasma. Nous avons également pu quantifier les effets intriqués des émissions électroniques secondaires et de l'instabilité de dérive sur le transport anormal. Par une étude paramétrique sur les émissions électroniques secondaires, nous avons pu identifier trois régimes de décharge plasma. Finalement l'impact des ergols alternatifs a pu être étudié en utilisant des processus collisionnels réalistes
As space applications are increasingly crucial in our daily life, satellite operating costs need to be decreased. This can be achieved through the use of cost efficient electric propulsion systems. One of the most successful and competitive electric propulsion system is the Hall effect thruster, but this system is characterized by its complexity and remains poorly understood. Indeed some key questions, concerning electron anomalous transport or plasma/wall interactions, are still to be answered.Answers to both questions are based on kinetic mechanisms, and thus cannot be solved with fluid models. Furthermore the temporal and geometrical scales of these mechanisms make them difficult to be experimentally measured. Consequently we chose, in order to answer those questions, to develop a bi-dimensional fully kinetic simulation tool.Using a simplified simulation of the Hall effect thruster, we observed the importance of the azimuthal electron drift instability for anomalous cross-field electron transport. Then, using a realistic model of a Hall effect thruster, we were able to study the effects of plasma/wall interactions on the plasma discharge characteristics, as well as to quantify the coupled effects of secondary electron emission and electron drift instability on the anomalous transport. Through parametric study of secondary electron emission, three plasma discharge regimes were identified. Finally the impact of alternative propellants was studied

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Tsikata, Sedina. "Fluctuations de densité électronique à petite échelle dans un propulseur à effet Hall, investigué par la méthode de diffusion collective". Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00484027.

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Les oscillations dans le plasma d'un propulseur à effet Hall sont susceptibles de provoquer le transport anormal à travers des lignes du champ magnétique. La théorie cinétique linéaire montre qu'en particulier certaines oscillations, de fréquence de l'ordre du mégahertz et de longueur d'onde millimétrique, peuvent jouer un rôle important dans le transport anormal. Les échelles caractéristiques de ces fluctuations ne sont pas détectables par des outils standards comme les sondes. Ce travail décrit pour la première fois l'utilisation d'un diagnostic de diffusion collective (PRAXIS) conçu pour l'étude du plasma du propulseur, qui a mené à l'identification des modes instables dans le plasma. Deux modes hautes fréquences ont été identifiés, se propageant dans les directions azimutale et axiale, avec des longueurs d'onde millimétriques et des fréquences de l'ordre du mégahertz. Les directions de propagation et les ouvertures angulaires de ces modes ont été déterminées. Le mode azimutal, identifié dans la théorie comme agent principal du transport, possède des composantes anti-parallèles au champ magnétique et parallèles au champ électrique et se propage dans une ouverture angulaire très restreinte. Le mode axial montre des caractéristiques liées à la vitesse et la divergence du faisceau d'ions. Le niveau de fluctuation de la densité est associé à une grande amplitude du champ électrique fluctuant. Les résultats des expériences sont en accord avec les prévisions théoriques et apportent de nouvelles informations, permettant ainsi d'améliorer et de développer des modèles pour les deux modes.

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Guglielmi, Alexandre. "Propulseur à courant de Hall double étage à source RF inductive : étude expérimentale du fonctionnement et des instabilités basses fréquences". Thesis, Toulouse 3, 2020. http://www.theses.fr/2020TOU30243.

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Contrairement aux propulseurs chimiques servant à la mise à poste, les propulseurs électriques à courant de Hall sont des moteurs de petite taille utilisés pour le maintien à poste des satellites, le changement d'orbite et les missions interplanétaires. Souvent caractérisés par de faibles poussées, ils ont l'avantage d'avoir une vitesse d'éjection et une impulsion spécifique très importantes. Le principe de fonctionnement est basé sur l'ionisation d'un gaz rare (Xe, Kr) par une différence de potentiel appliquée au travers d'une barrière magnétique. La conductivité électronique localement plus faible dans la barrière conduit à créer un champ électrique dans cette région. Les ions sont alors soumis à ce champ et sont donc accélérés à des vitesses pouvant dépasser plusieurs dizaines de km/s. Le champ électrique au niveau de cette barrière est alors responsable de l'accélération des ions et donc, simultanément, de la poussée et de l'impulsion spécifique. Afin de pouvoir agir indépendamment sur ces deux derniers paramètres, un propulseur à courant de Hall double étage (ID-Hall, Inductive Double stage HALL thruster)) a été développé. Le premier étage est l'étage d'ionisation, constitué d'une source plasma indépendante à couplage inductif, et le second étage est l'étage d'accélération constitué de la barrière. À partir de différents outils de mesures (sonde de flux ionique, analyseur à champ retardateur, caméra haute vitesse, sondes courant-tension, anode segmentée, ...) et d'un modèle numérique (HALLIS), nous avons pu caractériser le plasma, ses instabilités, et les performances du propulseur. Malgré la cartographie magnétique singulière de ce propulseur, les caractéristiques en fonctionnement simple étage sont comparables à celles des propulseurs à courant de Hall classiques. En fonctionnement double étage, la source RF affecte de manière significative le transport des électrons dans le propulseur. De plus, d'autres résultats en double étage montrent qu'à basses tensions de décharge, le courant de décharge est inférieur à celui en simple étage. L'énergie des ions extraits est plus élevée en double étage et le courant d'ion présente une diminution avec l'augmentation de la puissance RF mais reste proche de celui en simple étage. Cette étude a été réalisée en Xénon et en Argon. Des oscillations basses fréquences de grandes amplitudes (Breathing Mode) ont été observées expérimentalement, analysées par sonde résolue en temps et comparées à des résultats obtenus par le modèle. D'autres instabilités azimutales (Rotating Spokes) ont aussi été mises en évidence, ainsi qu'étudiées électriquement et par imagerie.[...]
Unlike chemical thrusters, electric Hall current thrusters are small motors used for station keeping, orbiting, and interplanetary missions. Often characterized by low thrusts, they have the advantage of having a very high ejection speed and specific impulse. The principle is based on the ionization of a rare gas (Xe, Kr) by a potential difference applied through a magnetic barrier. The locally weaker electronic conductivity in the barrier leads to the creation of an electric field in this region. The ions are then subjected to this field and are therefore accelerated to speeds which may exceed several tens of km/s. The electric field at this barrier is then responsible for the acceleration of the ions and therefore, simultaneously, for the thrust and the specific impulse. In order to modify independently these two parameters, a double stage Hall thruster (ID-Hall, Inductive Double stage HALL thruster)) has been developed. The first stage is the ionization stage, consisting of an independent plasma source (ICP source), and the second stage is the acceleration region with the magnetic barrier. Using different diagnostics (ionic flux probe, retarding potential analyzer, high speed camera, current-voltage probes, segmented anode, etc.) and a numerical model (HALLIS), we were able to characterize the plasma, its instabilities, and thruster performance. Despite the singular magnetic mapping of this thruster, the characteristics in single stage operation are comparable to those of conventional Hall current thrusters. In dual-stage operation, the RF source significantly affects the transport of electrons in the thruster. In addition, other double-stage results show that at low discharge voltages, the discharge current is lower than at single stage. The energy of the extracted ions is higher in double stage and the ion current decreases with increasing RF power but remains close to the ion current in single stage. This study was carried out in Xenon and Argon. Low-frequency oscillations of large amplitudes (Breathing Mode) were observed experimentally, analyzed by time-resolved probe and compared to results obtained by the model. Other azimuthal instabilities (Rotating Spokes) have also been identified as well as studied electrically and by imaging. As soon as the source is active, at low RF power, these previous instabilities are strongly attenuated, while at higher power, other azimuthal instabilities appear (Striations). These azimutals instabilities were also studied around the source alone, by imaging in different gases and using a PIC-MCC model

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Charoy, Thomas. "Numerical study of electron transport in Hall thrusters". Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2020. http://www.theses.fr/2020IPPAX046.

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Resumen

Ces dernières années, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a augmenté de manière exponentielle. Grâce à leur faible consommation en carburant, de plus en plus de propulseurs électriques sont utilisés à bord de ces satellites, notamment le propulseur à effet Hall qui est l’un des plus efficaces. De la diversité des applications découle le besoin d’avoir des propulseurs de taille et puissance variables. Cependant, la physique des propulseurs à effet Hall est encore méconnue et les nouveaux designs se font de manière empirique, avec un développement long et coûteux, pour un résultat final limité. Pour pallier ce problème, des codes de simulation peuvent être utilisés mais une meilleure compréhension des phénomènes clés est alors nécessaire, plus particulièrement du transport anormal des électrons qui doit être pris en compte de manière auto-consistante pour pouvoir capturer totalement le comportement de la décharge. Ce transport étant relié à l’instabilité azimutale de dérive électronique, un code 2D particulaire existant a été amélioré pour pouvoir simuler cette direction azimutale mais aussi la direction axiale. Avant d’analyser le comportement de la décharge, ce code a été vérifié sur un cas de benchmark, avec 6 autres codes particulaires développés par différents groupes de recherches internationaux. Ce cas simplifié a été ensuite utilisé pour vérifier de manière intensive un développement analytique pour estimer la force de friction électron-ion, qui est le témoin de la contribution des instabilités azimutales sur le transport anormal. Puis, la dynamique des neutres a été rajoutée pour capturer de manière auto-consistante le comportement de la décharge. Une technique artificielle de loi d’échelle a été adoptée, avec une augmentation de la permittivité du vide, pour alléger les contraintes de stabilité du code particulaire et accélérer les simulations. Grâce à une parallélisation du code efficace, ce facteur artificiel a été réduit de manière significative, se rapprochant ainsi d’un cas proche de la réalité. La force de friction électron-ion a été observée comme étant celle qui contribuait le plus au transport anormal durant les oscillation basse-fréquence du mode de respiration. Pour finir, l’interaction complexe entre le mode de respiration, l’instabilité de transit des ions et l’instabilité de dérive électronique a aussi été étudiée, avec la formation de structures azimutales à grande longueur d’onde, associées à un plus grand transport anormal
In the last decade, the number of satellites orbiting around Earth has grown exponentially. Thanks to their low propellant consumption, more and more electric thrusters are now used aboard these satellites, with the Hall thrusters being one of the most efficient. From the diversity of applications stems the need of widening the thruster power capabilities. However, due to a lack of knowledge on Hall thruster physics, this scaling is currently done empirically, which limits the efficiency of the newly developed thrusters and increases the development time and cost. To overcome this issue, numerical models can be used but a deeper understanding on key phenomena is still needed, more specifically on the electron anomalous transport which should be self-consistently accounted for to properly capture the discharge behaviour.As this transport is related to the azimuthal electron drift instability, an existing 2D Particle-In-Cell code was further developed to simulate this azimuthal direction along with the axial direction in which the ions are accelerated, producing the thrust. Prior to analyse the discharge behaviour, this code has been verified on a benchmark case, with 6 other PIC codes developed in different international research groups. This simplified case was later used to stress-test previous analytical developments to approximate the instability-enhanced electron-ion friction force which represents the contribution of the azimuthal instabilities to the anomalous transport. Then, the neutral dynamics has been included to capture the full self-consistent behaviour of the discharge. We used an artificial scaling technique, increasing the vacuum permittivity, to relax the PIC stability constraints and speed-up the simulations. Thanks to an efficient code parallelisation, we managed to reduce this scaling factor to a small value, hence simulating a case close to reality. The electron-ion friction force was found to be the main contributor to the anomalous transport throughout the whole low-frequency breathing mode oscillations. Finally, the complex interaction between the breathing mode, the ion-transit time instabilities and the azimuthal electron drift instabilities has been studied, with the formation of long-wavelength structures associated with an enhanced anomalous transport

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Grimaud, Lou. "Magnetic shielding topology applied to low power Hall thrusters". Thesis, Orléans, 2018. http://www.theses.fr/2018ORLE2046/document.

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Les propulseurs de Hall sont l’une des techniques de propulsion fusée par plasma les plus utilisés. Ils possèdent une impulsion spécifique moyenne et un haut rapport poussé sur puissance qui les rend idéal pour une grande partie des applications commerciales et scientifiques. Une de leurs limitations principales est l’érosion des parois du propulseur par le plasma qui réduit leur durée de vie. La topologie dite “d’écrantage magnétique” est une solution proposée pour prolonger cette durée de vie. Elle est ici appliquée à un petit propulseur de Hall de 200W. Dans cette thèse les règles de mise à l’échelle pour les propulseurs de Hall de la gamme de 100 à 200W sont testées expérimentalement. Un propulseur écranté de 200W est comparé avec un propulseur standard similaire. Le comportement des ions dans ces deux moteurs est extrêmement différent. Des mesures de performance ont été réalisées avec des parois en BN-SiO2 et graphite. Le courant de décharge augmente de 25% avec le graphite dans le propulseur non-écranté. Le résultat et un rendement maximum de 38% avec le nitrure de bore mais de seulement 31% pour le graphite. Le propulseur écranté quant à lui n’atteint que 25% de rendement quel que soit le matériau.Cette baisse de performance dans les petits moteurs écrantés peut être attribuée à un mauvais rendement d’utilisation de l’ergol. Analyses des résultats expérimentaux ainsi que la conduite de simulations suggèrent que cela est dû au fait que la zone d’ionisation ne couvre pas l’ensemble du canal de décharge. Un nouveau design pour un petit propulseur de Hall écranté est proposé
Hall thrusters are one of the most used rocket electric propulsion technology. They combine moderate specific impulse with high thrust to power ratio which makes them ideal for a wide range of practical commercial and scientific applications. One of their limitations is the erosion of the thruster walls which reduces their lifespan.The magnetic shielding topology is a proposed solution to prolong the lifespan. It is implemented on a small200W Hall thruster.In this thesis the scaling of classical unshielded Hall thrusters down to 200 and 100W is discussed. A 200W low power magnetically shielded Hall thruster is compared with an identically sized unshielded one. The ion behavior inside the thruster is measured and significant differences are found across the discharge channel.Both thrusters are tested with classical BN-SiO2 and graphite walls. The magnetically shielded thruster is not sensitive to the material change while the discharge current increase by 25% in the unshielded one. The result is a maximum efficiency of 38% for boron nitride in the unshielded thruster but only 31% with graphite.The shielded thruster achieves a significantly lower efficiency with only 25% efficiency with both materials.Analysis of the experimental results as well as simulations of the thrusters reveal that the performance difference is mostly caused by low propellant utilization. This low propellant utilization comes from the fact that the ionization region doesn’t cover all of the discharge channel. A new magnetically shielded thruster is designed to solve this issue

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Bourgeois, Guillaume. "Influence de la topologie magnétique, de la cathode et de la section du canal sur l'accélération des ions dans un propulseur à effet Hall". Thesis, Orléans, 2012. http://www.theses.fr/2012ORLE2032.

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Les propulseurs électriques sont de plus en plus utilisés pour des missions de correction de trajectoire des satellites et pourront dans un avenir proche être utilisés pour le transfert d’orbite. Ces propulseurs constituent une excellente alternative aux propulseurs chimiques grâce à leur rendement élevé et une substantielle économie de carburant réalisée par rapport aux propulseurs chimiques. Les propulseurs à effet Hall créent la poussée par l’accélération d’ions positifs de xénon ou de krypton dans un plasma confiné par un champ magnétique. L’objet de ce manuscrit concerne principalement les caractéristiques de l’accélération des ions et des atomes dans un propulseur à effet Hall. Les influences de la largeur du canal de décharge, de la topologie magnétique et de la cathode sur l’efficacité d’accélération des ions sont étudiées. Des pistes d’optimisation de l’architecture du propulseur sont alors proposées qui pourraient être particulièrement avantageuses sur les propulseurs de petite taille, comme l’élargissement du canal et l’augmentation du champ magnétique près des parois du canal. L’influence de la position et du potentiel de la cathode sur la déviation du faisceau ionique est révélée. L’évolution temporelle basse fréquence du champ électrique est mesurée par comptage synchrone de photons et suggère que la température atomique joue un rôle important dans les oscillations basse fréquence de la décharge. Par ailleurs, l’influence du champ magnétique sur les performances d’un propulseur proche des modèles de vol a été mesurée grâce à l’utilisation d’un moteur doté d’une topologie magnétique flexible. Ceci a montré la difficulté de définir un paramètre numérique capable de synthétiser l’information complexe de la répartition spatiale du champ magnétique dans le canal de décharge. Les très faibles modifications des performances par le champ magnétique soulignent l’importance de la précision dans la mesure
Electric propulsion systems are more and more often used for trajectory correction of satellites and may soon be used for orbit transfer. These devices represent a great alternative to classic chemical propulsion devices thanks to their high efficiency and propellant mass savings. Hall effect thruster provide thrust by the acceleration of xenon or krypton ions in a magnetized confined plasma. The study presented in this manuscript mainly addresses characteristics of ion and atom acceleration in a Hall effect thruster. Influence of channel width, magnetic topology and cathode parameters on ion acceleration efficiency is investigated. Ways to optimize thruster architecture are suggested that may be particularly relevant for low power thrusters, such as widening thruster channel and increasing magnetic field amplitude near channel walls. Influence of cathode position with respect to the thruster channel exit plane and its potential with respect to ground on ion beam deviation has been revealed with two thrusters. Low frequency time evolution of the accelerating electric field was measured using lock-in photon counting system. Results strongly suggest that the atom temperature plays a crucial role in low frequency time evolution of the whole plasma discharge. Measurement of performances as a function of the magnetic field demonstrated that numeric parameters are compulsory to carry on a relevant parametric study. These parameters would summarize the 2D information of magnetic topology. Weak influence of magnetic topology revealed that thrust measurement precision needs to be increased by at least one order of magnitude if one wants to reach a better understanding of plasma confinement in a Hall effect thruster

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Sadouni, Sarah. "Modélisation fluide du transport et des instabilités dans des sources plasma froid magnétisé". Thesis, Toulouse 3, 2020. http://www.theses.fr/2020TOU30014.

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Resumen

Il est bien connu que les plasmas froids magnétisés dans des dispositifs tels que les propulseurs Hall et les sources d'ions montrent souvent l'émergence d'instabilités qui peuvent provoquer des phénomènes de transport anormaux et affecter fortement le fonctionnement du dispositif. Dans cette thèse, nous étudions les possibilités de simuler ces instabilités de manière auto-cohérente par la modélisation fluide. Cela n'a jamais été fait auparavant pour ces conditions de plasma froid, mais cela présente un grand intérêt potentiel pour l'ingénierie. Nous avons utilisé un code fluide quasi-neutre développé au laboratoire LAPLACE, appelé MAGNIS (MAGnetized Ion Source), qui résout un ensemble d'équations fluides pour les électrons et les ions dans un domaine 2D perpendiculaire au champ magnétique. On a constaté que dans de nombreux cas d'intérêt pratique, les simulations MAGNIS produisent des instabilités et des fluctuations du plasma. Un premier objectif de cette thèse est de comprendre l'origine de ces instabilités observées dans MAGNIS et de s'assurer qu'elles sont un résultat physique et non un artefact numérique. Pour ce faire, nous avons effectué une analyse de stabilité linéaire basée sur des relations de dispersion, dont les taux de croissance et les fréquences qui en sont issus analyse ont été comparés avec succès à ceux mesurés dans les simulations de MAGNIS pour des configurations simples et forcés à rester dans un régime linéaire. Nous avons ensuite identifié les principaux modes et mécanismes de ces instabilités (induits par les champs électrique et magnétique, le gradient de densité et l’inertie), connus de la littérature, susceptibles de se produire dans ces simulations de fluides. Par la suite, nous avons simulé l'évolution non-linéaire et la saturation des instabilités et quantifié le transport anormal généré dans différents cas relatifs aux sources d'ions en fonction de divers paramètres clés du système (champs électriques et magnétiques et température des électrons). Enfin, nous avons mis en évidence plusieurs limitations de MAGNIS, et plus généralement de modèles fluides, dues aux approximations physiques (quasi-neutralité, absence d'effets cinétiques). Nous avons montré que les modes fluides sont parfois les plus instables à des échelles infiniment petites où la théorie n'est plus valable et ne peuvent donc être résolues numériquement. Nous avons proposé différentes manières de remédier à ce problème par l’introduction de termes diffusifs inspirés de la physique à petite échelle (non-neutralité, rayon de Larmor), que nous avons ensuite testés dans MAGNIS
It is well known from experiments that magnetized low-temperature plasmas in devices such as Hall thrusters and ion sources often show the emergence of instabilities that can cause anomalous transport phenomena and strongly affect the device operation. In this thesis we investigate the possibilities to simulate these instabilities self-consistently by fluid modeling. This is of great potential interest for engineering. We used a quasineutral fluid code developed at the LAPLACE laboratory, called MAGNIS (MAGnetized Ion Source), solving a set of fluid equations for electrons and ions in a 2D domain perpendicular to the magnetic field lines. It was found that in many cases of practical interest, MAGNIS simulations show plasma instabilities and fluctuations. A first goal of this thesis is to understand the origin of the instabilities observed in MAGNIS and make sure that they are a physical result and not numerical artifacts. For this purpose, we carried out a detailed linear stability analysis based on dispersion relations, from which analytical growth rates and frequencies were successfully compared with those measured in MAGNIS simulations for simple configurations forced to remain in a linear regime. We then identified these linear unstable modes and their responsible mechanisms (involving parameters such as the density gradient, electric and magnetic fields and inertia), known from the literature, that are likely to occur in these fluid simulations. Subsequently, we simulated the nonlinear evolution and saturation of the instabilities and quantified the anomalous transport generated in different cases relevant to ion sources, depending on various key parameters of the system (electric and magnetic fields and electron temperature). Finally, we highlighted several limitations of MAGNIS, and more generally of fluid models, due to the physical approximations made (quasineutrality, absence of kinetic effects). We showed that the fluid modes are sometimes most unstable at infinitely small scales for which the theory is no longer valid and which cannot be resolved numerically. We proposed, and tested in MAGNIS, ways to overcome this problem by introducing effective diffusion terms representing small scale processes (non-neutrality, Larmor radius)

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Dannenmayer, Käthe. "Scaling laws and electron properties in Hall effect thrusters". Phd thesis, Université d'Orléans, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00797732.

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Resumen

All satellites need a propulsion system for orbit correction maneuvers. Electric Hall effect thrusters are an interesting technology for space applications. The big advantage compared to chemical propulsion devices is the higher specific impulse Isp, a higher ejection speed and thus a substantial gain in terms of propellant consumption. In a Hall effect thruster the ions are created and accelerated in a low pressure discharge plasma in a magnetic field. The first part of the work concerns scaling laws for Hall effect thrusters. A semi-empirical scaling model based on analytical laws and relying on simplifying assumptions is developed. This scaling model can be used to extrapolate existing thruster technologies in order to meet new mission requirements. In a second part, the influence of the channel width on the thruster performance level is investigated. It has been demonstrated that enlarging the channel width of a low power Hall effect thruster leads to an increase in thruster efficiency. Finally, electron properties are measured by means of electrostatic probes in the plume of different Hall effect thrusters. Experimental data on electron properties is of great interest for the validation of numerical plume models that are essential for the integration of the thruster on the satellite. Time-averaged and timeresolved measurements of the electron properties have been carried out for different operating conditions of the thruster. A fast-moving probe system has been developed in order to perform measurements of the electron properties close to the thruster exit plane.

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Renaud, Denis. "Caractérisation du propulseur PEGASES : diagnostics du filtre magnétique et du faisceau : optimisation de la géométrie". Thesis, Orléans, 2016. http://www.theses.fr/2016ORLE2018/document.

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Resumen

Le propulseur de PEGASES est un moteur ionique qui diffère des autres technologies. La particularité de ce propulseur est l’utilisation d’un gaz électronégatif, à savoir le SF₆. Un champ magnétique est utilisé pour piéger les électrons et augmenter la production des ions négatifs. Le plasma résiduel à faible densité d’électrons, dit plasma ion-ion, permet l’extraction et l’accélération des ions positifs et négatifs. Les ions recombinent par paire dans le faisceau et garantissent la neutralité dans le faisceau. L’extraction d’une quantité équivalente d’ions positifs et négatifs permet ainsi d’éviter l’emploi d’un neutraliseur. Afin d’étudier les propriétés du faisceau ionique, une sonde EXB est utilisée pour diagnostiquer les vitesses et les proportions des molécules formées puis accélérées. La sonde n’étant pas parfaite, une calibration permet de déterminer avec précision les différentes espèces présentes dans le plasma. La présence d’ions positifs et négatifs ont pu être démontré via des mesures par sonde EXB. La technique de photo-détachement par laser est employée afin d’étudier les ions de charge négative. Cette méthode permet d’obtenir la proportion d’ions négatifs par rapport aux électrons. L’électronégativité dans ce type de décharge est très importante. La technique a montré l’importance du filtre magnétique. Cependant, la configuration de celui-ci n’est pas optimale puisqu’une structure est créée par la dérive électronique. Un nouveau propulseur à géométrie circulaire a été conçu, construit et testé. Cette nouvelle architecture utilise une dérive électronique fermée circulaire grâce à des aimants permanents. Les expériences ont validé le concept et montre l’importance d’une géométrie en anneau
The PEGASES ion thruster differs from standard electric propulsion technologies through its use of electronegative gases, such as SF₆, as a propellant. Its operation relies on the trapping of electrons using a magnetic field and the creation of a plasma dominated by positive and negative ions. These ions are alternately accelerated to produce thrust, and later undergo a recombination to ensure beam neutrality. This thruster eliminates the need for an electron-producing neutralizer, which is a standard feature in other sources such as the Hall thruster. This thesis is divided into three parts. The first describes the development and implementation of a new EXB probe for the study of the ion beam properties, the identification of the beam chemical composition and the verification of the presence of negative and positive ion species. The second part concerns the design and application of a new laser photodetachment diagnostic for the measurement of the negative ion fraction. Lastly, a new ion-ion thruster with a circular geometry, known as AIPE, has been designed, constructed and successfully tested. This prototype eliminates the plasma asymmetry present in PEGASES and reveals the importance of the magnetic filter to source operation

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Vaudolon, Julien. "Electric field determination and magnetic topology optimization in Hall thrusters". Thesis, Orléans, 2015. http://www.theses.fr/2015ORLE2026/document.

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La propulsion électrique est à un tournant de son histoire. La récente mise en oeuvre de satellites de télécommunication "tout-électrique" se traduit par l’ouverture d’un nouveau marché, et par une évolution des besoins opérationnels. L’identification de ces nouvelles missions nécessite l’amélioration des performances de nos moteurs. La première partie de ces travaux rapporte l’utilisation d’un outil de spectroscopie laser destiné à caractériser la distribution en vitesse des ions. Les différentes méthodes de calcul du champ électrique dans les propulseurs de Hall ont été exposées. Deux instabilités ioniques ont été observées et analysées. Les sources d’erreurs liées aux mesures par sondes électrostatiques ont été analysées, et un exemple de sonde plane étudié. Une analyse paramétrique de l’influence des paramètres de champ magnétique sur les performances des propulseurs de Hall a été conduite. Le concept de moteur "sans parois" est présenté. L’identification de ce concept constitue une avancée porteuse de promesses pour l’avenir de la propulsion électrique
Electric propulsion is facing new challenges. Recently, the launch of "all-electric" satellites has marked the debut of a new era. Going all-electric now appears as an interesting alternative to conventional systems for telecom operators. A laser spectroscopy technique was used during this research to investigate the ion velocity distribution dynamics. The different methods for determining the electric field in Hall thrusters were exposed. Two unstable ion regimes were identified and examined. Measurement uncertainties using electrostatic probes were assessed. Planar probed have been designed and tested. A thorough investigation of the influence of the magnetic field parameters on the performance of Hall thrusters was performed. The wall-less Hall thruster design was presented, and preliminary experiments have revealed its interest for the electric propulsion community

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Sanogo, Satafa. "Conception optimale de circuits magnétiques dédiés à la propulsion spatiale électrique par des méthodes d'optimisation topologique". Thesis, Toulouse 3, 2016. http://www.theses.fr/2016TOU30015/document.

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Dans ces travaux, nous présentons des méthodes d'optimisation théoriques et numériques pour la conception optimale de circuits magnétiques pour propulseurs à effet Hall. Ces problèmes de conception sont des problèmes inverses très difficiles à résoudre que nous formulons sous forme de problèmes d'optimisation topologique. Les problèmes resultant sont non convexes avec des contraintes aux équations différentielles de Maxwell. Au cours de ces travaux, des approches originales ont été proposées afin de résoudre efficacement ces problèmes d'optimisation topologique. L'approche de densité de matériaux SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) qui est une variante de la méthode d'homogénéisation a été privilégiées. De plus, les travaux de ma thèse ont permis la mise en place de codes d'optimisation dénommé ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) utilisant en parallèle les logiciels de calculs scientifiques Matlab et d'élément finis FEMM (Finite Element Method Magnetics). Dans ATOP, nous utilisant à la fois des algorithmes d'optimisation locale de type descente basés sur une analyse de la sensibilité du problème et des algorithmes d'optimisation globale principalement de type Branch and Bound basés sur l'Arithmétique des Intervals. ATOP permettra d'optimiser à la fois la forme topologique des circuits magnétiques mais aussi le temps et le coût de production de nouvelles génération de propulseurs électriques
In this work, we present theoretical and numerical optimization method for designing magnetic circuits for Hall effect thrusters. These design problems are very difficult inverse ones that we formulate under the form of topology optimization problems. Then, the obtained problems are non convex subject to Maxwell equations like constraints. Some original approaches have been proposed to solve efficiently these topology optimization problems. These approaches are based on the material density model called SIMP approach (Solid Isotropic Material with Penalization) which is a variante of the homogenization method. The results in my thesis allowed to provide optimization source code named ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) unsung in parallel two scientific computing softwares namely Matlab and FEMM (Finite Element Method Magnetics). In ATOP, we use both local optimization algorithms based on sensitivity analysis of the design problem; and global optimization algorithms mainly of type Branch and Bound based on Interval Arithmetic analysis. ATOP will help to optimize both the topological shape of the magnetic circuits and the time and cost of production (design process) of new generations of electrical thrusters

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Diop-Ngom, Fatou. "Source de particules neutres monocinétiques : diagnostics spécifiques et étude physique d'une source de Hall en plasma d'argon ou en mixture xénon-argon". Thesis, Orléans, 2015. http://www.theses.fr/2015ORLE2025/document.

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Des années 50 à nos jours, la propulsion électrique n'a cessé d'évoluer afin de s'imposer dans le domaine de la propulsion spatiale. Les Propulseurs à effet Hall (PEH) sont principalement utilisés pour des missions de correction de trajectoire ou de maintien en orbite des satellites. Ils délivrent des faisceaux d'ions à forte densité de courant et à faible énergie, ce qui en font de bons candidats potentiels pour d'autres applications comme la microélectronique ou encore les traitements de surfaces. Le xénon est l'ergol le plus utilisé en raison de sa masse élevée et de son faible énergie d'ionisation. Cependant son coût élevé et la difficulté d’approvisionnement motivent la recherche d'alternatives pour le fonctionnement des MEH. C'est dans ce cadre que cette thèse s'est inscrite avec l'idée d'un développement d'une source de faible puissance fonctionnelle en argon. L'amorçage d'une telle décharge n'étant pas immédiat, une démarche progressive qui passe par des décharges de mélange de gaz a été adoptée. Les décharges Xe-Ar se sont révélées très intéressantes pour la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les PEH. La caractérisation en vitesse des ions Xe II (par Fluorescence Induite par Laser) associée à l'analyse en énergie par RPA a permis de remonter à des informations utiles sur les zones d'ionisation et d'accélération. Une technique originale de résolution temporelle du RPA basée sur une interruption rapide de la décharge ou sur les oscillations naturelles du courant de décharge, a été développée et a permis l'identification et la quantification des différentes espèces présentes dans le jet d'ions. Grâce aux résultats de l'étude paramétrique des décharges de mélange Xe-Ar, une décharge d'argon pur a pu être amorcée et caractérisée pour la première fois dans un PEH de faible puissance
Since the 50s, electric propulsion has improved in order to establish itself on space propulsion field. The Hall Effect Thruster (HET) are mainly used for trajectory correction or satellites orbit maintaining. The HET provide high current densities and low energy ion beam that making it a good candidate for other applications such as microelectronics or surface treatments. Xenon propellant is most commonly used due to its high atomic mass and its low ionization energy. However, the high cost and difficult supply of xenon, leads to looking for alternative propellant for HET operation. In this context, this PhD thesis had as goal the development of a functional Argon low power source. Argon discharge ignition is not immediate, that why a progressive approach which involves gas mixture discharges was adopted. The Xe-Ar discharge gives very interesting results for the understanding of physical mechanisms governing HET. The characterization of Xe II ions velocity (Laser Induced Fluorescence) associated to the energy analysis by RPA have provided access to useful information on ionization and acceleration areas. An original time resolved RPA technique, based on an ultra-fast discharge interruption or on the discharge current oscillations, has been developed. This technique allows the identification and the quantification of different species present in the ion beam. Thanks to the discharge Xe-Ar study, a pure argon discharge could be initiated and characterized for the first time in a low power HET

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Vial, Vanessa. "Etudes physiques et paramétriques de propulseurs plasma pour applications spatiales". Orléans, 2004. http://www.theses.fr/2004ORLE2061.

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La propulsion électrique, faisant appel à l'accélération d'ions, est activement développée pour ses applications spatiales. Cette thèse, soutenue par le CNES et la Snecma, porte sur quelques aspects expérimentaux de la physique des propulseurs à effet Hall et sur leur comportement paramétrique. Dans les deux cas, les résultats obtenus ont un intérêt significatif pour le développement des codes numériques. Une mesure de densité par canon à électrons (EIF) a permis de caractériser de manière originale l'injection du gaz propulsif, le xénon. L'analyse détaillée de microinstabilités (5-10 MHz) apporte des données nouvelles sur leurs propriétés et leur impact possible sur les caractéristiques macroscopiques des moteurs. Deux propulseurs ont été étudiés dans une plage étendue d'accélération, à Moscou (RIAME) et à Orléans (PIVOINE). Les résultats suggèrent que ce type de moteurs peut répondre aux demandes de propulseurs électriques à forte accélération.

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Prioul, Mathieu. "Etude expérimentale des propulseurs de type Hall : processus collisionnels, comportement dynamique, micro-instabilités et phénomènes de transport". Orléans, 2002. http://www.theses.fr/2002ORLE2058.

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Les propulseurs plasmiques de type Hall possèdent des caractéristiques fonctionnelles qui répondent particulièrement bien aux besoins en propulsion des nouvelles générations de satellites. Le fonctionnement de ces propulseurs est basé sur la création et l'accélération d'un plasma de xénon dans une décharge en champs croisés E x B. Dans le cadre d'un groupement de recherche constitué du CNRS, du CNES, de la SNECMA et de l'ONERA, un effort particulier est porté pour améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui gère le fonctionnement de ces propulseurs. L'étude expérimentale de la réponse du moteur à des extinctions de courant obtenues avec un interrupteur ultra-rapide a pris une place particulière dans cette thèse. Cette approche a permis d'apporter un nouvel éclairage sur les processus collisionnels de création du plasma et a rendu possible une caractérisation fine du comportement dynamique de la décharge. Le transport des électrons dans la décharge à travers le champ magnétique reste encore un problème ouvert. Des mesures à l'aide d'antennes large-bande ont permis d'observer la corrélation entre le développement d'instabilités haute fréquence (6 MHz) et une augmentation macroscopique du courant. Ces mesures mettent en évidence l'existence d'un transport turbulent des électrons dans la décharge.

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Gascon, Nicolas. "Etude de propulseurs plasmiques à effet Hall pour systèmes spatiaux : performances, propriétés des décharges et modélisation hydrodynamique". Aix-Marseille 1, 2000. http://www.theses.fr/2000AIX11059.

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Un propulseur à effet Hall est une décharge plasma basse pression en champs électriques et magnétiques croisés dont les performances sont particulièrement intéressantes pour le positionnement ou le transfert d'orbite des satellites et des sondes spatiales. Bien que la technologie des propulseurs à effet Hall ait atteint une certaine maturité (les premiers essais en vol, effectués sur des satellites soviétiques, datent du début des années 1970), plusieurs aspects de la physique associée restent mal compris : le transport des électrons, les phénomènes dynamiques et les interactions plasma-parois. Deux propulseurs à effet Hall ont été étudiés expérimentalement : un modèle de laboratoire dérivé du modèle de vol SPT-100, et un prototype de la famille "Aton". Une caractérisation paramétrique des performances et des oscillations des circuits électriques de décharge a été effectuée. Les paramètres du plasma ont été mesurés au moyen de sondes électrostatiques (sondes de Langmuir simples et analyseur à potentiel retardant). Une analyse théorique de la décharge a été menée au moyen d'un modèle magnéto-hydrodynamique 1D stationnaire mettant en évidence les différentes échelles de l'écoulement. L'importance du champ magnétique est soulignée. Les mesures de performances sont en faveur du prototype Aton, qui est cependant à un stade de développement moins avancé que le SPT-100.

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ROCHE, STEPHANIE. "Analyse par spectroscopie optique d'emission du plasma des propulseurs a effet hall - application a l'erosion des ceramiques". Paris 11, 2001. http://www.theses.fr/2001PA112119.

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Les propulseurs a plasma stationnaire (spt), egalement appeles propulseurs a effet hall, ont ete l'objet de nombreuses etudes et de nombreux developpements au cours de ces dernieres decennies. En effet ces moteurs presentent des caracteristiques interessantes pour la correction d'orbite de satellites geostationnaires ou pour la propulsion de sondes interplanetaires. La comprehension des mecanismes physiques intervenant dans ce type de decharge electrique, presentant un champ electrique et un champ magnetique croises, est l'un des enjeux du programme de recherche francais dans lequel s'inscrit cette these. La technique de spectroscopie d'emission optique utilisee permet une analyse in-situ et non perturbatrice du plasma. Les raies d'emission du plasma, resolues de maniere spatiale et temporelle, ont ete comparees a une simulation a l'aide d'un modele collisionnel-radiatif (cr). Les raies de xenon neutre ou ionise, gaz utilise comme propergol dans ce type de moteur, ainsi que les raies d'especes pulverisees a partir des ceramiques delimitant la decharge ont ete plus particulierement etudiees. Ce travail a permis de collecter des informations precieuses et originales sur la formation du plasma a l'interieur du canal pour les differents regimes de fonctionnement du propulseur. La comparaison au modele cr a permis d'acceder a de nombreuses informations sur les voies de peuplement des especes excitees. L'analyse des emissions de raies provenant des ceramiques a permis de caracteriser quantitativement l'erosion des parois en fonction des conditions de decharge.

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Villemant, Marc. "Modélisation et caractérisation expérimentale de l’influence de l’émission électronique sur le fonctionnement des propulseurs à courant de Hall". Thesis, Toulouse, ISAE, 2018. http://www.theses.fr/2018ESAE0038.

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Les propulseurs plasma à courant de Hall sont aujourd’hui une technologie mature et couramment utilisée dans l’industrie spatiale pour la mise à poste et le contrôle d’orbite de satellites. Malgré cela, la compréhension de la physique régissant le fonctionnement de ces propulseurs et encore lacunaire. Des phénomènes tels que le transport anormal des électrons dans le canal du propulseur ou la dépendance des performances du propulseur au matériau de paroi ne sont pas compris. Par conséquent le développement et la qualification de nouveaux propulseurs passent par de longues études empiriques sans garantie de succès. La compréhension de la physique des plasmas de propulseurs est donc une problématique clé pour permettre le développement et l’amélioration de cette technologie.Cette thèse consiste en la caractérisation par la modélisation et par des mesures expérimentales de l’interaction entre le plasma d’un propulseur à courant de Hall et les parois dudit propulseur. Cette thèse s’est concentrée sur le phénomène d’émission électronique induite par impact d’électrons (i.e. l’émission d’électrons par les parois du propulseur lorsque celle-ci est soumise à un flux incident d’électrons).La thèse s’est déroulée en trois étapes. Dans un premier temps un modèle d’émission électronique adapté au besoin des modélisations particulaires de plasma de propulseur a été développé et validé par comparaison à des données expérimentales réalisées à l’ONERA. Dans un second temps, ce modèle d’émission électronique a été introduit dans une simulation particulaire de plasma de propulseur développé au Laplace et modifié pour les besoins de cette thèse. Enfin une étude paramétrique a été réalisées afin d’évaluer l’influence de l’émission électronique sur le comportement global du plasma de propulseur.La première partie de cette thèse a permis de réaliser la caractérisation de l’émission électronique pour des matériaux représentatifs du canal des propulseurs à courant de Hall (silice et nitrure de bore). Par ailleurs, un travail de mesure et de calibration a été réalisé afin de caractériser le rendement énergétique de l’interaction entre une population d’électrons et une paroi. Ces nouvelles mesures et ce nouveau protocole de mesure ont donné lieu à la publication de deux articles. La seconde partie de cette thèse a permis de réaliser un modèle détaillé d’émission électronique adapté aux contraintes des modélisations particulaire (temps de calcul réduit, dépendance à différents paramètres physiques, etc.). Cette thèse a permis de montrer un impact non-négligeable de l’émission électronique sur le bilan énergétique du propulseur et sur les fonctions de distributions des ions et des électrons dans le plasma ¬du propulseur
Nowadays, plasma Hall thrusters are used in space industry for satellites orbit rising and satellites attitude control. Nonetheless, the comprehension their physical functioning remains patchy. Several phenomena such as abnormal electron mobility or the thrusters performance dependency to wall material are still not understood. Consequently the current process to improve and qualify Hall thrusters are involving expansive and time-consuming experimental validation which, in the end, does not ensure the release of an operational thruster. Consequently, plasma behaviour in Hall thruster is a key topic of research, which could lead to non-negligible improvement in Hall thruster technology development.This Ph.D. consists in the modelling and characterization of plasma/wall interaction in Hall thrusters and its impact on Hall thruster’s performance. This Ph.D. has focused on the influence of the electron emission under electron impact on Hall thruster’s performances. It has been divided into three parts. Firstly, an experimental investigation has been carried out in order to obtain reference data on materials commonly used as plasma thruster wall (bore nitride and silicon dioxide). A literature review has been made in order to find a theoretical basis fitted to the elaboration of an electron emission model fitting the requirement of a particle in cell simulation of a Hall thruster. In second part, a detailed electron emission model based on this literature review and validated by comparison to experimental data and to a Monte-Carlo model developed in ONERA (called OSMOSEE) has been developed. This model offers the possibility to describe electron emission yield, angular and energy distribution of emitted electrons depending on various physical parameters (e.g. incident electron energy, incident electron angle, impinged material, etc.). Besides, as it is an analytical model, it computes in a reduced time (a few minutes to one hour). In a third and last part, this electron emission model has been implemented in a Particle-In-Cell (PIC) simulation of Hall thruster’s plasma and a parametric study has been carried out in order to characterize the influence of electron emission phenomenon on global plasma behaviour. This parametric study has shown that electron emission has a non-negligible impact on energy balance at plasma/wall interface and on electron distribution function in the plasma, which can’t be considered as Maxwellian

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Souza, João Henrique Campos de. "Estudo da Dinâmica de Partículas em um Propulsor a Plasma do tipo Hall com Ímãs Permanentes". reponame:Repositório Institucional da UnB, 2006. http://repositorio.unb.br/handle/10482/8486.

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Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2006.
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Desde meados de 2000, o Laboratório de Plasmas do Instituto de Física da Universidade de Brasília (LP) vem desenvolvendo o Projeto PHALL, que tem como objetivos a criação e o estudo de um sistema de propulsão a plasma produzido por corrente Hall, baseado nos Stationary Plasma Thrusters (SPT). A diferença entre os SPT¿s convencionais e o desenvolvido no LP é a fonte do campo magnético: dois anéis de ímãs permanentes de raios diferentes e coaxiais substituem os eletroímãs. A intenção dessa permuta é obviamente reduzir o consumo de energia elétrica do propulsor, e, consequentemente aumentar a vida útil desse sistema. No entanto, o problema físico do propulsor PHALL ainda não foi formalmente estabelecido. Fatores importantes para a compreensão e melhoria do funcionamento dessa tecnologia, como a identificação do tipo de descarga e do campo de força predominante na formação e na aceleração do plasma para cada regime de operação ainda não foram investigados. Os objetivos deste trabalho são justamente formular o problema da produção e do movimento dos íons e elétrons e propor um entendimento mais abrangente para a aceleração dos íons, sugerindo ter o campo elétrico papel fundamental na ejeção do plasma. Descrevemos as evidências experimentais dessa hipótese e discorremos sobre suas conseqüências para a compreensão do funcionamento do propulsor. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT
Since 2000, The Plasma Laboratory of the Physics Institute of the University of Brasília (LP) has developed the Project PHALL, with the objectives to develop and study a plasma propulsion system, based on the Stationary Plasma Thrusters (SPT). The main difference between the conventional SPT and the thruster developed in LP is the source of the magnetic field: two coaxial permanent magnet rings with different radii substitute the electromagnets. The intention of this substitution is obviously to reduce the energy consumption of the thruster and, consequently, increase the period of usage of the system. However, the problem of the thruster has not been formally established. An important factor for the comprehension and improvement of this technology, like the identification of the type of the electric discharge and the force field predominant in the plasma production and acceleration for each of the operation regimes has not been investigated. The aims of this work are to establish the problem of the plasma production and the ion and electron motions and propose a more extensive comprehension of the ion acceleration mechanism, in which the electric field has a fundamental role on the plasma ejection. We describe the experimental evidences of this hypothesis and its consequences for the understanding of the propulsion system.

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Carvalho, Guilherme Morais de. "Medida da temperatura de íons em um propulsor a plasma do tipo hall via espectroscopia óptica". reponame:Repositório Institucional da UnB, 2008. http://repositorio.unb.br/handle/10482/5171.

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Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2008.
Submitted by Suelen Silva dos Santos (suelenunb@yahoo.com.br) on 2009-09-15T18:16:52Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 9572915 bytes, checksum: d03bccd927df98eae3f46f9b676cde11 (MD5)
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A espectroscopia é uma das técnicas mais empregadas para o estudo de plasmas principalmente por se tratar de um método não intrusivo. Outras técnicas de diagnóstico de plasmas com sondas emissivas e analisadores de energia, realizam as medidas mas interferem nas configurações de campo bem como no próprio plasma, esfriando-o e promovendo recombinação de íons. Por outro lado, dados obtidos por espectroscopia permitem a caracterização de inúmeros fenômenos físicos tais como a temperatura de íons e composição do plasma. Dados de densidade de plasma, distribuição de velocidades e direção do fluxo do plasma são baseados no alargamento das linhas espectrais que são medidos diretamente com espectroscopia óptica. É possível também, utilizando técnicas de espectroscopia, medir efeitos como Stark e Zeeman bem como sua contribuição para o perfil da linha espectral obtida experimentalmente. Neste projeto desenvolveu-se um sistema de diagnóstico baseado em espectroscopia óptica aplicado a um propulsor a plasma por efeito Hall, PHALL- 01, do laboratório de plasma do IF-UnB. Foram realizadas tomadas de dados do espectro em toda região do visível (3000 a 8000 °A). Posteriormente verificou-se os picos mais persistentes classificando-os afim de se obter a composição do plasma. Realizou-se a medida do alargamento Doppler para o cálculo da temperatura de íons. Caracterizou-se também o plasma do PHALL-01 de forma a se estabelecer um regime estável e ideal de operação para que se estime a aplicabilidade deste tipo de propulsor e sua qualificação espacial. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT
Spectroscopy is one of the most used techniques concerning the study of plasma, owning particulary to the fact that it is a non-intrusive method. Others plasma diagnostic techniques with emissive probe and energy analyzers perform the desired measurement but interfere in the field configuration as well as in plasma itself provoking plasma cooling and ions recombination. On the other hand spectroscopy obtained data, allows characterization of many physical features such ions temperature and plasma composition. Density plasma data, velocity distribution and plasma flux direction are based on spectral lines broaden witch are measured directly from optical spectroscopy. By using spectroscopy techniques it is also possible to measure effects such as Stark and Zeeman’s as well as their contribution to experimental obtained spectral line profile. In this project it was developed an optical spectroscopy based system applied to the Plasma Hall Thruster PHALL-01 of UnB’s Plasma Laboratory. Data acquisition took place through the entire visible range (3000 to 8000 °A). Following, it was carried out a verification and subsequent classification of the most often appearing peaks for means of obtaining plasma composition. Doppler enlargement measurements were applied in order to calculate ions temperature. The PHALL-01’s plasma was also characterized so as to establish an ideal stable operation regime to estimate the applicability of this kind of thruster as well as its spatial qualification.

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Moraes, Brunno Silva. "Estudo de algumas aquisições orbitais usando um propulsor a plasma do tipo hall com imãs permanentes". reponame:Repositório Institucional da UnB, 2008. http://repositorio.unb.br/handle/10482/2145.

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Resumen

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2008.
Submitted by Raquel Viana (tempestade_b@hotmail.com) on 2009-11-09T16:53:27Z No. of bitstreams: 1 2008_BrunnoSilvaMoraes.pdf: 3743669 bytes, checksum: 1859c2085c92b3443772846a7e07337f (MD5)
Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2009-11-10T13:05:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2008_BrunnoSilvaMoraes.pdf: 3743669 bytes, checksum: 1859c2085c92b3443772846a7e07337f (MD5)
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Este trabalho tem como objeto a dinâmica da aquisição de órbitas por satélites artificiais que foram equipados com propulsores a plasma do tipo Hall. Esses dispositivos são responsáveis pela transformação da energia elétrica utilizada na ionização do gás em energia cinética para a aceleração do plasma que provê empuxo ao satélite. Desde meados de 2002, o Laboratório de Plasmas do Instituto de Física da Universidade de Brasília desenvolve o protótipo derivado dos propulsores de deriva fechada - hoje chamados Stationary Plasma Thrusters (SPT) - que utiliza ímas permanentes para a geração dos campos magnéticos internos e o efeito hall para ejeção dos íons de propelente. A aplicabilidade desse propulsor em manobras de transferência de órbitas é numericamente investigada a partir de propostas de manobras orbitais com baixo empuxo. São realizadas simulações numéricas da transferência de satélites de pequeno, médio e grande porte de órbitas baixas (LEO) para órbita geossíncrona, da remoção orbital de satélites geoestacionários e da alteração de inclinação orbital visando à órbita equatorial. O trabalho visa a indicadores numéricos da viabilidade do uso do propulsor Hall com imãs permanentes em algumas aquisições orbitais. O projeto PHall é desenvolvido pelo LP-IFUnB em colaboração com o grupo de Automação e Controle da Engenharia Mecânica, com o Laboratório Associado de Plasma do INPE e com a FEG-UNESP. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACT
This work aims at momentum for the acquisition of orbits of artificial satellites equipped with a Hall thruster. These devices are responsible for the transformation of the electricity used in the gas ionization in kinetic energy for the acceleration of the plasma that provides thrust to the satellite. Since mid-2002, the Plasma Laboratory of the Institute of Physics of the University of Brasilia develop the prototype derivative of the closed drift plasma thrusters - nowadays called Stationary Plasma Thrusters (SPT) - which uses permanent magnets for the generation of internal magnetic fields and the Hall effect for ion propellant ejection. The Hall thruster’s applicability in orbit transfer maneuvers is numerically investigated from proposals for orbital maneuvers with low thrust. There are performed numerical simulations of the transfer of satellites with small, medium and large size from low orbits (LEO) to geosinchronous orbit, de-orbit of geostationary satellites and changes of the orbital inclination seeking the equatorial orbit. The work aims to numerical indicators of the viability of the use of Hall thruster with permanent magnets in some orbital acquisitions. The PHall project is developed by LP-IFUnB in collaboration with the group of Automation and Control of Mechanical Engineering (UnB), with the Associate Laboratory of Plasma INPE and the FEG-UNESP.

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Jolivet, Laurent. "Étude de l'influence de l'émission électronique secondaire sur le phénomène de gaine et application aux propulseurs de satellite à effet Hall". Toulouse, ENSAE, 2000. http://www.theses.fr/2000ESAE0020.

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Resumen

"Lorsqu'un matériau est exposé à un plasma, une région interface nommée gaine se développe et régule les interactions plasma-matériau. Cette thèse est consacrée à l'étude du phénomène de gaine en présence d'émission électronique secondaire qui est l'émission d'électrons par le matériau consécutive à l'impact des électrons provenant du plasma. Afin de s'affranchir des contraintes fortes des modèles analytiques de ce phénomène, telles que la condition de plasma Maxwellien, un modèle numérique (PIXIE) de type Particle-In-Cell a été développé. Une méthode, dite de "temps numériques", est proposée et permet de simuler des plasmas complexes d'ions lourds avec des temps de calcul relativement faibles. Après validation, PIXIE a été appliqué à l'étude des interactions entre le plasma et le matériau de la chambre de décharge des propulseurs à effet Hall pour satellites. Nous avons ainsi pu mettre en évidence la capacité de l'émission secondaire à jouer un rôle prépondérant dans la conductivité électronique de ce type de propulseur. Une conséquence de l'emission secondaire étant une modification du potentiel de la surface du matériau, nous avons conçu et mis en œuvre une méthode expérimentale permettant de mesurer ce potentiel pour un diélectrique exposé à un plasma. "

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Pôssa, Gabriela Cunha. "Desenvolvimento de um sistema de detecção de instabilidades de plasma para um propulsor a plasma do tipo hall". reponame:Repositório Institucional da UnB, 2009. http://repositorio.unb.br/handle/10482/4090.

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Resumen

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2009.
Submitted by Raquel Viana (tempestade_b@hotmail.com) on 2010-03-22T20:05:27Z No. of bitstreams: 1 2009_GabrielaCunhaPossa.pdf: 1320756 bytes, checksum: 3df92e6a7fe87ee48d9a57c93af4760f (MD5)
Approved for entry into archive by Daniel Ribeiro(daniel@bce.unb.br) on 2010-04-06T20:46:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_GabrielaCunhaPossa.pdf: 1320756 bytes, checksum: 3df92e6a7fe87ee48d9a57c93af4760f (MD5)
Made available in DSpace on 2010-04-06T20:46:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_GabrielaCunhaPossa.pdf: 1320756 bytes, checksum: 3df92e6a7fe87ee48d9a57c93af4760f (MD5) Previous issue date: 2009-03
O Laboratório de Plasmas do Instituto de Física da Universidade de Brasília (LP) vem trabalhando desde 2002 com o Projeto PHALL, que consiste no desenvolvimento e caracterização de um sistema de propulsão a plasma por efeito Hall, indicado para controle de atitude de satélites e missões espaciais de longa duração. O grande diferencial deste propulsor consiste na utilização de ímas permanentes para geração do campo magnético e confinamento dos elétrons para formação da corrente Hall, o que faz com que o consumo energético do propulsor seja reduzido, tornando-se mais promissor para a capacitação espacial. Um dos fenômenos que pode influenciar significativamente no desempenho de propulsores a plasma é a ocorrência de instabilidades. Neste trabalho analisamos as possíveis instabilidades que podem ocorrer no interior do canal de aceleração através de um desenvolvimento teórico e propomos a utilização de um sistema para detecção das mesmas a partir de uma sonda detectora de RF (rádio freqüência). _________________________________________________________________________________________ ABSTRACT
The Plasma Laboratory of UnB has been developing a Hall Thruster since 2002. The project consists on the construction and charactrerization of a plasma propulsion engine based on the Hall Effect. This thrusting system is designed to be used in satellite attitude control and long term space missions. A great advantage of this kind of thruster is the production of a steady state magnetic field by permanent magnets providing electral trapping and Hall Current generation within a significant decrease on the energy used and thus turning this thruster into a good option when it comes to space usage. One of the phenomena that may significantly interfere in the device’s performance is the occurrence of instabilities. In this work, we trated the theory of instabilities that can occur inside the Hall channel and, in order to better understand the oscillations that occur during the thruster’s operation we propose the use of a instability detection system based on a RF (radio frequency) detection probe.

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Guerrini, Gilles. "Etude expérimentale des phénomènes de décharge et propagation d'ondes dans les propulseurs ioniques à dérive d'électrons en cycle fermé". Aix-Marseille 1, 1997. http://www.theses.fr/1997AIX11021.

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Les propulseurs a plasma sont d'un interet capital puisqu'ils apparaissent comme un des enjeux industriels les plus importants de cette fin de siecle dans la physique spatiale et la propulsion de satellites. A partir d'un champ electrique croise a un champ magnetique dans un canal annulaire, on initie une decharge plasma de xenon. La poussee est creee par l'expulsion des ions hors du canal. Ces propulseurs sont appeles accelerateur a effet hall ou spt (stationary plasma thruster). Nous avons caracterise trois propulseurs de petit diametre en fonction du courant et de la poussee. Ce travail a ete fait en collaboration avec l'institut kurchatov et l'institut mirea de moscou. Une etude approfondie des parametres plasma dans le canal a permis la mise en evidence de trois regions principales : pre-ionisation, ionisation et acceleration. Par l'etude du faisceau d'ions, nous avons caracterise la tige et son evolution spatiale, en particulier dans la region proche de la sortie du canal. L'etude des phenomenes d'oscillations et de propagation d'ondes dans les propulseurs est primordiale car ils generent des processus physiques importants modulant le fonctionnement de ce type de sources d'ions. Nous montrons l'effet de ces ondes sur les propulseurs, en particulier sur l'erosion anormale des ceramiques du canal.

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Pigeon, Valentin. "Laser induced fluorescence study of plasma-insulator wall interaction involving secondary electron emission". Thesis, Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0307.

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Resumen

Dans les propulseurs à effet Hall, l’interaction entre le plasma et les parois en céramique a un impact sur la durée de vie et les performances de ces machines. Ceci est dû en partie à l’émission d’électrons secondaires (EES), capable de refroidir le plasma et peut déclencher de la turbulence et des instabilités. Pour ces raisons, il est nécessaire de comprendre l’interaction plasma-céramique et d’évaluer l’impact de l’EES. Cette étude est destinée principalement à caractériser les gaines plasma faisant face aux céramiques des propulseurs à effet Hall. Celles-ci sont comparées aux gaines d’autres matériaux utilisés en physique des plasmas en précisant l’influence de l’EES. La partie expérimentale de cette étude repose principalement sur le diagnostic de fluorescence induite par laser permettant de sonder les gaines plasmas de manière non-intrusive. La structure des gaines, les variations de la densité ionique et la forme des fonctions de distribution ionique sont présentées et discutées. Il apparaît que la gaine varie d’un matériau à l’autre et que l’EES des céramiques de propulseurs est plus faible que celle des autres céramiques étudiées. Ce dernier résultat est cohérent avec de précédentes études. D’autre part, la densité ionique atteint un maximum près de l’entrée de la gaine, un résultat non prédit par les théories de gaine. Les résultats expérimentaux sont comparés à un modèle de gaine 1D cinétique et à des simulations cinétiques, qui tous deux utilisent des taux d’émission secondaire disponibles dans la littérature. Enfin, la première étape pour la mesure de gaines plasma hautement émissive par fluorescence induite par laser est présentée
In Hall-effect ion thrusters, the interaction between the plasma and the ceramic walls has an impact on the devices’ lifetime and performances. This is partially due to the secondary electron emission (SEE), a phenomenon that may cool down the plasma, resulting in a lower ionization rate, and may trigger turbulence and instabilities. For these reasons, it is necessary to understand the plasma-ceramic wall interaction and evaluate the impact of the SEE. This study mainly focuses on plasma sheaths – the fundamental mechanism involved in plasma-wall interaction – standing in front of Hall thrusters’ ceramics. Those sheaths are compared to other materials’ ones used in plasma devices, and the influence of the SEE on them is studied. The experimental part of the study mainly relies on the laser induced fluorescence diagnostic that allows to probe plasma sheaths in a non-intrusive way. The sheaths’ structure, the ion density variations and the ion distribution functions’ shape are presented and discussed. It is shown that the sheath is material dependent and that the thrusters’ ceramics’ SEE is lower than for the other studied ceramics, which is coherent with previous measurements. Also, a peak in the ion density is observed near the sheath entrance, a result not captured by the classical sheath theory. These experimental results are compared with a 1D kinetic sheath model and kinetic simulations that use the SEE yields found in the literature. Finally, the first step of highly emissive plasma sheath measured with laser induced fluorescence is presented

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Potrivitu, George-Cristian. "Low–voltage External Discharge Plasma Thruster and Hollow Cathodes Plasma Plume Diagnostics Utilising Electrostatic Probes and Retarding Potential Analyser". Thesis, 2016. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-59796.

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Resumen

The present thesis is the result of a research period at the Institute of Space and Astronautical Science of the Japanese Aerospace Exploration Agency, ISAS/JAXA within Funaki Laboratory of the Department of Space Flight Systems that followed the path of plume plasma diagnostics for space electric propulsion drives. During the experimental studies two high-current hollow cathodes and an innovative prototype of a low-voltage fully external discharge plasma thruster (XPT) had their plasma plumes diagnosed using electrostatic probes and retarding potential analyser (RPA). A Hall thruster and hollow cathode plume is defined as an unmagnetised quasi-neutral plasma which is mainly formed of neutral particles, electrons, singly and doubly charged ions. Plasma diagnostic techniques provide information through practical observations in order to fully understand the dynamics of the aforementioned plume components, the physical processes taking place within the plume and their effects on the spacecraft, for instance. Mastering these aspects of the plasma plume of space electric propulsion drives bolster the design processes, leading to highly efficient devices. Firstly, the introduction provides insights on the fundamental principles of hollow cathodes and Hall thrusters and a brief presentation of the plasma diagnostic techniques used during the research: single and double Langmuir probes, emissive probes and retarding potential analyser. Then, the fundamental plume diagnostics principles are depicted in an exhaustive way, departing from classical plasma kinetic theory, energy distribution functions and ending with an overview on the theory of charge collection by cylindrical probes. Subsequently, peculiarities of various analysis techniques are exposed for the Langmuir probes, emissive probes and RPA, with an emphasis on their strengths and demerits. The experimental setups for the cathodes and XPT plume diagnostic procedures are then outlined. The experimental logic, setup and electrical diagrams as well as a presentation of each probe design and manufacturing details are extensively discussed. The hollow cathodes experimental results are exposed with a discourse that aims of overviewing the difference between the various data analysis methods applied for the raw data. A discussion ensued based on the results in order to effectively identify mechanisms that produced the observed plasma parameters distributions. For the first time, the plume of a fully external discharge plasma thruster was diagnosed utilising double Langmuir probes. The thesis highlights the main results obtained for the XPT far-field plume plasma diagnostics. The experimental findings for both thruster centreline positions and 2D plume maps for several axial distances away from the anode plate offer a ground basis for future measurements, a comparison term and a database to support ongoing computational codes. The results are discussed and related to the thruster performances data obtained during previous experiments. The thesis includes consistency analyses between the experimental data and the numerical simulation results and the uncertainties in measured plasma parameters associated with each data analysis procedure are evaluated for each data set. Last, the conclusions underline the main aspects of the research and further work on the previously mentioned plasma diagnostic techniques for hollow cathodes and XPT is suggested.
La présente thèse est le résultat d'une période de recherche à l'Institut des Sciences Spatiales et Astronautiques de l'Agence Spatiale Japonaise, ISAS / JAXA qui a suivi la voie des diagnostics du plasma de la plume de propulseurs électriques spatiaux. Au cours des études expérimentales, deux cathodes creuses à fort courant et un prototype innovant d'un propulseur basse tension à décharge externe de plasma (XPT) avaient leurs faisceaux de plasma diagnostiqués en utilisant des sondes électrostatiques et un analyseur à potentiel retardé. La plume d’un propulseur à effet Hall et d’une cathode creuse est définie comme un plasma quasi-neutre non-magnétisé qui est principalement formé de particules neutres, d’électrons, d’ions monovalents et bivalents. Les techniques de diagnostic du plasma fournissent des informations, via des observations pratiques, afin de bien comprendre la dynamique des composants de la plume mentionnés ci-dessus, les processus physiques qui se déroulent dans la plume et leurs effets sur une sonde spatiale, par exemple. La maîtrise de ces aspects du plasma de la plume généré par les propulseurs électriques spatiaux renforce les processus de conception de ce type de propulsion, ce qui conduit à des dispositifs hautement efficaces. Tout d'abord, l'introduction donne un aperçu sur les principes fondamentaux de cathodes creuses et de propulseurs à effet Hall, et une brève présentation des techniques de diagnostic du plasma utilisées lors de la recherche : sondes de Langmuir simples et doubles, des sondes émissives et d’analyseur à potentiel retardé. Ensuite, les principes fondamentaux de diagnostic de la plume sont représentés de manière exhaustive, d’abord la théorie cinétique classique du plasma, les fonctions de distribution en énergie et pour terminer une vue d'ensemble de la théorie de la collecte de charge par des sondes cylindriques. Par la suite, les particularités des diverses techniques d'analyse sont exposées pour les sondes de Langmuir, les sondes émissives et RPA, en mettant l'accent sur leurs avantages et leurs inconvénients. Les montages expérimentaux pour les procédures de diagnostic de la plume-plasma de cathodes et du XPT sont ensuite décrits. La logique expérimentale, les schémas électriques ainsi qu'une présentation de la conception et de la fabrication de chaque sonde sont largement discutés. Les résultats expérimentaux pour les cathodes creuses sont exposés de façon à présenter la différence entre plusieurs méthodes d'analyse de données appliquées aux données brutes. Une discussion s’ensuit, basée sur les résultats afin d'identifier efficacement les mécanismes qui ont produits les propriétés électroniques observées. Pour la première fois, la plume d'un propulseur à décharge externe de plasma a été diagnostiquée en utilisant des sondes de Langmuir doubles. La thèse met en évidence les principaux résultats obtenus pour le diagnostic en champ lointain de la plume-plasma du XPT. Les résultats expérimentaux pour les positions sur l'axe du propulseur et le cartes 2D de la plume pour plusieurs distances axiales loin de l’anode offrent une base pour de futures mesures, un terme de comparaison et une base de données pour appuyer les codes numériques. Les résultats sont discutés et sont rapportés aux données de performances du propulseur obtenus lors des essais précédents. La thèse comprend des analyses de la cohérence entre les données expérimentales et les résultats de simulation numérique, et les incertitudes des paramètres mesurés du plasma associées à chaque procédure d'analyse des données sont évaluées pour chaque ensemble de données. Enfin, les conclusions soulignent les principaux aspects de la recherche et une poursuite des travaux sur les techniques de diagnostic de plasma pour les cathodes creuses et le XPT est suggérée.

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Tesis sobre el tema "Propulseur Hall"

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