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. Cette propriété leur permet ainsi de fonctionner pendant de très longues périodes tout en réduisant de façon importante la masse de fluide propulsif embarqué.
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. Cette dernière permet seulement la magnétisation des électrons, car l’intensité du champ est insuffisante pour magnétiser les ions, plus lourds. De par le confinement magnétique des électrons, 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. La chute de potentiel 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 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 magnétique. À partir de différents outils de mesures (sonde de flux ionique, analyseur à champ retardateur, caméra haute vitesse, sondes courant-tension, …) et d’un modèle numérique (HALLIS), nous avons pu caractériser le plasma, ses instabilités, et les performances du propulseur.
Afin d’étudier le concept double étage pour lequel le propulseur ID-Hall a été conçu, des campagnes de mesures ont été réalisées en fonctionnement simple étage, (sans la source RF active). Les caractéristiques du plasma et du propulseur ont ensuite été comparées en double étage avec différentes puissances RF envoyées dans la source.
Malgré la cartographie magnétique originale 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 est très similaire à 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. Dès lors que la source est active, à faible puissance RF, ces précédentes instabilités sont fortement atténuées, alors qu’a plus forte puissance, d’autres instabilités azimutales apparaissent (Striations). Ces dernières instabilités ont aussi été étudiées autour de la source seule, par imagerie dans différents gaz. |
Unlike chemical thrusters used for launch, Hall current thrusters are small motors used for satellite station keeping, orbital change and interplanetary missions. Often characterized by weak thrust, they have the advantage of high ejection speed and high specific impulse. This property thus allows to operate for very long periods with a significant reduction of the on-board propellant mass.
The principle of this thruster is based on the ionization of a rare gas (Xe, Kr) by a difference of potential applied across a magnetic barrier. This magnetic barrier only allows the magnetization of electrons, because the field intensity is insufficient to magnetize ions, heavier. Due to the magnetic confinement of the electrons, the locally lower electronic conductivity in the barrier leads to the creation of an electric field in this region. Ions, positively charged, are then subjected to this field and are therefore accelerated at speeds which can exceed several tens of km/s. The potential drop in this barrier is then responsible for the acceleration of the ions and, simultaneously, for the thrust and the specific impulse.
In order to modify independently these last 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 with inductive coupling, and the second stage is the acceleration stage, consisting of the magnetic barrier. Using different measurement tools (ion flux probe, retarding potential analyzer, high-speed camera, current-voltage probes, etc.) and a numerical model (HALLIS), we were able to characterize the plasma, its instabilities, and propellant performance.
In order to study the double-stage concept for which the ID-Hall thruster was designed, measurement campaigns were carried out in single-stage operation, (with the RF source off). The characteristics of the plasma and the propellant were then compared in double stage with different RF powers sent to the source.
Despite the original magnetic mapping of this thruster, the characteristics in single-stage are comparable to the conventional Hall current thrusters. In double 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 that in single-stage. The energy of the extracted ions is higher in double stage and the ion current is similar to that in single stage. This study was carried out in Xenon and Argon.
Low frequency oscillations of large amplitudes (Breathing Mode) have been observed experimentally, analyzed by time-resolved probe and compared with results obtained by the model. Other azimuthal instabilities (Rotating Spokes) have also been identified and studied electrically and by imagery. 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 instabilities have also been studied around the source alone, by imaging in different gases. |