Le projet de recherche porte sur la conception optimisée de ces propulseurs électriques et plus
Particulièrement des propulseurs à effet Hall. Dans ce type de propulseur les circuits magnétiques qui représentent plus de 50% de la masse totale du système ont été définis dans les années 80 et n’ont pas fait depuis l’objet d’études approfondies. Or, ces circuits qui ne permettent pas de contrôler de façon significative le champ magnétique dans le canal plasma ne sont plus optimisés vis-à-vis de la diversité des missions requises dans la propulsion spatiale. Des récentes études menées par les acteurs majeurs de la propulsion électrique (ESA, NASA..) montrent qu’il serait bénéfique tant du point de vue du rendement que de la durée de vie du propulseur de reconfigurer les champs magnétiques siégeant au sein du canal plasma. Par ailleurs, ces circuits magnétiques n’ont pas bénéficié de l’émergence de nouveaux matériaux magnétiques qui pourraient favoriser la minimisation de l’encombrement total du système. L'optimisation quant à elle, a aussi fortement évoluée ces dernières années tant sur le plan théorique qu'algorithmique. Actuellement, de nombreux problèmes de grandes tailles et de forte complexité (non-linéaires et non-convexes) sont résolus de manières satisfaisantes. Afin de formuler ces problèmes d'optimisation il faut en amont étudier le problème considéré afin de le modéliser de manière analytique ou/et numérique. Cependant dans notre cas, la modélisation dite analytique (où les équations seront mises sous formes explicites) est difficilement réalisable (circuit magnétique à très grand entrefer), elle constitue un challenge en soit. Ainsi, des équations implicites devront être prises en compte dans le problème d'optimisation à résoudre : des codes de type éléments finis qui permettront d'effectuer les calculs numériques nécessaires du modèle devront être couplés à des méthodes d'optimisation.
La thèse s’échelonne autour de trois étapes principales, à savoir : (1) la formulation du problème d’optimisation d’un circuit magnétique, (2) la résolution du problème d’optimisation et enfin le (3) développement et la validation de l’outil de conception optimale des circuits magnétiques pour propulseur (avec la réalisation d’un prototype d’un propulseur à effet Hall à faible érosion).
La première tâche qui consiste donc à formuler le problème d’optimisation a requis de se familiariser dans un premier temps avec les contraintes de définition des circuits magnétiques liés aux propulseurs spatiaux. En particulier dans l’optique d’approche de la conception par problème inverse, il est nécessaire de savoir établir une méthodologie qui formalise au mieux le cahier des charges et le retranscrive en vue d’une exploitation des données dans le problème d’optimisation.
La seconde tâche consistera à résoudre le problème d’optimisation. Dans le cas de la formulation implicite, l’optimisation par approche paramétrique a été privilégiée (avec des algorithmes du type « Direct Search »).
La troisième tâche a consisté à coder l’outil de conception et à le valider. Un prototype de circuit magnétique de propulseur à effet Hall à faible érosion a été conçu.
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Nowadays, two types of space propulsion engines exist: the most common ones
are the chemical propulsion engines which provide high thrust impulses allowing fast orbit transfers. But this technology requires a large amount of
propellant and is not suitable for interplanetary displacements, whose propellant mass requirements are too high.
The second type of propulsion engine is based on electrical propulsion that provide very low but continuous thrust, resulting in huge propellant savings at the cost of longer spacecraft transfer time. The main advantage of electric
thrusters lies in their highly efficient utilization of propellant mass. The corresponding reduction in necessary propellant supply makes it possible to board a greater portion of useful payload possible.
Hall thruster belongs to the electric spacecraft engines typology and it is constituted of a cylindrical plasma channel, an interior anode, an external cathode and a magnetic circuit that generates a primarily radial magnetic field across the plasma channel. The magnetic circuit of a Hall effect thruster must generate a specific electromagnetic flux distribution inside and near the outlet of the plasma channel.
In a Hall Effect thruster the magnetic circuit constitutes more than half of the whole thruster. Consequently the design of this magnetic circuit must be optimized in order to minimize the embedded mass. The main components of
this circuit are the coils which produce the magnetic flux and ferromagnetic parts which guide the flux and to shape the flux density. Usually the magnetic circuit includes four (or more) external coils located around the exterior
radius of the plasma channel and one internal coil around the interior radius of the plasma channel. All the coils are supplied by the same DC. Two coils located at the rear of the plasma channel can be also used to perform the
magnetic topography. The first objective of the design process of this type of structure is to obtain a specific magnetic topography in the thruster channel with given magnetic field radial component values and a certain inclination of the corresponding field lines. By considering nowadays the requirements in terms of lifetime new specifications concerning in particular the “erosion of ceramic wall” have to be taken into account.This weakness has its origins in plasma-surface interaction inside the discharge chamber. Thus, to solve this problem it has been proposed to move the ionization zone outside the thruster channel in order to avoid contact between the ions and ceramic material. Thanks
to new studies carried on the impact of magnetic topology, new magnetic configurations have been highlighted to improve the efficiency and reduce th
e erosion of the ceramic walls. The aim of this work is to develop tools for
solving this inverse magnetostatic problem and to find new magnetic structures that are able to produce these new magnetic cartographies. Methods based on topological optimization have already been developed for these structures. The algorithm ATOP^TO(Algorithm To Optimize Propulsion with Topology Optimization) has already demonstrated its efficiency. In this work we try to extend the scope of the algorithm ATOP by adding a new parametric optimization section called ATOP^PO. The ATOP algorithm becomes a very versatile optimization tool for Hall Effect thruster magnetic circuits. |