Propulseur à courant de Hall double étage à source RF inductive : étude expérimentale du fonctionnement et des instabilités basses fréquences

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.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.[...