characterization and modelization of an electron cyclotron resonance plasma thruster

Caractérisation et modélisation d'un propulseur plasma à résonance cyclotronique des électrons

Félix Cannat (1, 2)

1 ONERA - The French Aerospace Lab [Palaiseau]
2 LPP - Laboratoire de Physique des Plasmas

The purpose of this work is the characterization and theoretical investigation of an electron cyclotron resonance plasma thruster. The objectives is to study the physics of the thruster (energy transfer by cyclotron resonance, ionization process, coupling microwave/plasma and acceleration process) to improve his performances, efficiency and development dimensioning tools. An experimental prototype of the thruster was characterized around the operating freedoms degrees as frequency, magnetic field, the power, the geometry and the gas flow. The results are used to set the conditions for a nominal operation of the thruster in terms of performances and efficiency. It was shown that the position of the resonance area and the operating pressure are the two keys parameters for the optimization of the thruster. This research helped to increase performance and total efficiency of the thruster. For a power of 30 watts and a flow rate of 0.1 mg/s, the thrust provided 1 mN with a specific impulse of 1000 s for 16 % total efficiency. In parallel, a discharge model is adapted to the configuration of the thruster. He estimates the thruster performance, identifies key points and provides sizing prospects for a new version of the thruster. To complete the model, preliminary simulations of electromagnetic wave propagation and microwave plasma coupling magnetized are carried out. The results obtained make it possible to better understand the microwave power deposition in the plasma source and reproduce the influence of the magnetic field observed experimentally.

L'objet de ce travail consiste à la caractérisation et à la modélisation d'un propulseur électrique à résonance cyclotronique des électrons. L’objectif est d’étudier la physique du propulseur (transfert d’énergie par résonance, processus d’ionisation, couplage micro-onde/plasma, processus d’accélération) afin d’améliorer ses performances, son efficacité ainsi que le développement d’outils de dimensionnement. Un prototype expérimental du propulseur a été caractérisé autour des degrés de libertés de fonctionnement tels que la fréquence, le champ magnétique, la puissance, la géométrie et le débit de gaz. Les résultats obtenus permettent de définir les conditions pour un fonctionnement nominal du propulseur en termes de performances et d’efficacité. Il a été montré que la position de la zone résonance ainsi que la pression de fonctionnement sont les deux paramètres clés pour l’optimisation du propulseur. Ces travaux de recherche ont permis d’augmenter les performances et le rendement total du propulseur. Pour une puissance de 30 Watts et un débit de 0.1 mg/s, le propulseur fourni une poussée de 1 mN avec une impulsion spécifique de 1000 s pour 16 % d’efficacité totale. En parallèle, un modèle de décharge est adapté au propulseur. Il estime les performances du propulseur, permet d’identifier les points importants et apporte des perspectives de dimensionnement pour une nouvelle version du propulseur. Pour compléter ce modèle, des simulations préliminaires de propagation d’ondes électromagnétiques et de couplage micro-onde plasma magnétisé sont réalisées. Les résultats obtenues permettent de mieux comprendre la déposition de puissance micro-onde dans le propulseur.

Mots clés: Plasma thruster; microwave; experiment; modele; electron cyclotron resonance; plasma

Mots clés: Micro-onde; Experience; modélisation; résonance cyclotronique des électrons; Plasma Diagnostics; Plasma Propulsion

Domaines: Physique [physics]

Félix Cannat. Caractérisation et modélisation d'un propulseur plasma à résonance cyclotronique des électrons. Physique [physics]. Ecole doctorale de l'Ecole Polytechnique, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01271986v2⟩