Modelling a stationary plasma thruster for satellites
MODELISATION D'UN PROPULSEUR A PLASMA STATIONNAIRE POUR SATELLITES
Résumé
The SPT is a small-sized electrostatic thruster whose properties make it especially suitable for applications such as orbit transfer or satellite station-keeping. The principle of operation of this thruster is based on the creation of a non equilibrium plasma with a magnetic field perpendicularly to the discharge axis. The magnetic confinement of the electrons permits the creation of an ion beam which is used to provide the thrust. This work was carried out in the context of a French project aimed at launching of the STENTOR satellite in the year 2000 with SPT on his board. The aim of this thesis is to use numerical modelling to better understand the physical phenomena occurring in the SPT. A first aspect of this work concerned the elaboration of a Monte Carlo particle method to clarify the electron transport in the device. The electron energy distribution function is determined with this microscopic approach. A second aspect focused on the electrical characteristics (low frequency oscillations, plasma evolution) and in performances (thrust, specific impulse, efficiency) of the thruster. To this end, we developed self-consistent, transient, quasineutral models (fluid and hybrid) in one-dimension. With some simplifying hypotheses to minimise the computational time, we used these models to study the influence of the external parameters (xenon mass flow rate, applied potential, shape and magnetic field intensity) on the thruster characteristics. The results are in qualitative agreement with experimental results and with results obtained in previous modelling work.
Les Propulseurs à Plasma Stationnaire (SPT) sont des moteurs de petites tailles présentant des propriétés intéressantes pour les changements d'orbite basse et les corrections Nord-Sud et Est-Ouest des satellites. Le principe du fonctionnement d'un tel propulseur est basé sur la création d'un plasma hors équilibre stationnaire sous champ magnétique perpendiculaire à l'axe de la décharge qui conduit à la génération d'un faisceau d'ions utilisé pour propulser le satellite. Ce travail est d'autant plus d'actualité qu'un projet français doit permettre le lancement en 2000 du satellite STENTOR avec à son bord des propulseurs de type SPT. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les phénomènes physiques se produisant dans les SPT à l'aide de modèles numériques. Un premier aspect a consisté à élaborer un modèle particulaire Monte Carlo capable d'apporter des éclaircissements sur le transport des électrons dans le moteur au travers d'une approche microscopique. Nous avons été conduits, dans un deuxième temps, à nous intéresser aux caractéristiques électriques (oscillations basses fréquences du courant de décharge, évolution du plasma) et aux performances du moteur (poussée, impulsion spécifique et efficacité). Pour cela, nous avons mis au point un modèle unidimensionnel, quasineutre, transitoire, auto-cohérent (approches fluide et hybride) permettant de suivre l'évolution de la décharge dans le canal. En formulant certaines hypothèses simplificatrices, nous avons pu conserver un temps de calcul assez faible pour pouvoir réaliser des études complètes et variées sur l'influence des paramètres extérieurs (débit de gaz injecté, potentiel appliqué, forme et valeur du champ magnétique) sur les caractéristiques du propulseur. Les résultats obtenus sont qualitativement en accord avec les résultats expérimentaux et avec les résultats obtenus à l'aide d'autres modèles.