Transport ELectronique et IOnique dans les Propulse à Effet Hall – TELIOPEH

1. Contexte scientifique et objectifs du projet. La propulsion électrique apparaît comme une alternative efficace à la propulsion chimique pour le contrôle et le transfert d'orbite de satellites, et de façon plus futuriste, pour les missions interplanétaires. Sa maîtrise constitue un enjeu pour l'industrie spatiale française.Plusieurs laboratoires CNRS et universitaires ont uni leurs efforts depuis 1996 dans le cadre d'un Groupement De Recherche (GDR) en partenariat avec le CNES et la SNECMA pour mieux comprendre la physique des propulseurs à effet Hall, étudier différents types moteurs, et optimiser leurs performances.Des progrès importants ont été réalisés dans ce sens. Cependant certains verrous scientifiques sont toujours présents et nécessitent une intensification des recherches amonts. Le principal verrou scientifique est constitué par la description du transport électronique dans la configuration à champs électrique et magnétique croisés d'un propulseur à effet Hall. La configuration magnétique, qui permet la chute de la conductivité électronique et la formation d'un champ électrique capable d'extraire les ions du plasma, est également à l'origine de phénomènes de transport anormal que l'on attribue à la turbulence plasma. Des simulations particulaires (Particle-In-Cell, « PIC ») développées au sein du GDR ont mis en évidence pour la première fois des instabilités liées à une fluctuation du champ électrique azimutal. Les codes PIC sont très coûteux en temps de calcul et ne sont pas utilisables pour des études paramétriques de différents types de moteurs. Des modèles plus simples, basés sur l'hypothèse de quasineutralité et sur une description fluide des électrons et particulaire des ions et des neutres (modèles hybrides) ont été conçus pour permettre de telles études paramétriques. Ces modèles ne sont pas capables de décrire la turbulence et nécessitent la donnée de coefficients de transport la caractérisant. L'objectif du projet est de concentrer les efforts des expérimentateurs, modélisateurs, et théoriciens pour mieux comprendre, caractériser et quantifier le transport électronique anormal dans un propulseur à effet Hall. 2. Description du projet, méthodologie. La physique des propulseurs à plasma est à l'interface des domaines des plasmas froids (sources d'ions, magnétrons) et des plasmas de fusion (confinement magnétique et turbulence). Le projet combine les expertises d'équipes provenant de ces deux domaines. Il est basé sur une forte synergie entre expérimentation, modélisation, simulation, et analyse théorique. Du point de vue expérimental le projet est centré sur deux diagnostics qui seront installés sur le moyen d'essai PIVOINE: la fluorescence induite par laser (LIF) et la diffusion collective. La LIF a déjà été utilisée dans ce contexte pour des mesures moyennées en temps de la fonction de distribution des vitesses des ions. Ces mesures permettent de déduire la distribution spatiale du potentiel, ce qui fournit des informations sur la conductivité électronique et donc le transport anormal. Cette technique sera utilisée de façon plus systématique et étendue aux mesures spatio-temporelles des distributions des vitesses des ions. La seconde expérience, de diffusion collective, a été utilisée dans les plasmas de fusion pour mesurer les fluctuations de densité de plasma et donc remonter à des informations sur la diffusion anormale. Ces expériences seront couplées étroitement aux simulations. Les mesures LIF fourniront des données directement comparables aux résultats des modèles hybrides et des indications sur la façon dont les coefficients de transport empiriques varient avec les conditions de tension et de champ magnétique. L'expérience de diffusion collective sera interprétée de façon théorique et avec l'aide des modèles particulaires. Elle permettra de fournir une information quantitative directe sur le transport anormal suivant les conditions de fonctionnement. Les équipes de modélisation uniront l...