Plasma instabilities in Hall Thrusters : a theoretical and numerical study

Instabilités dans les plasmas des propulseurs à effet Hall : une étude théorique et numérique Le propulseur à effet Hall (HT) est un système de propulsion électrique largement utilisé pour des applications spatiales depuis son invention dans les années 1960. Sa configuration en champs croisés, ExB, permet d'ioniser un gaz, généralement du xénon, et d'accélérer les ions vers l'extérieur pour créer la poussée.Les propulseurs de Hall sont utilisés pour des missions spatiales de plus en plus diverses, notamment dans le domaine des télécommunications, de l'observation de la Terre et de l'exploration dans l'espace lointain. Cependant, ces dispositifs utilisent des plasmas froids magnétisés à basse pression, dont la physique est extrêmement complexe : plusieurs phénomènes qui ont une importance majeure pour la performance et la durée de vie des propulseurs sont encore peu compris. Actuellement, des essais de durée de vie longs et coûteux sont requis pour concevoir et développer de nouveaux propulseurs.Il est donc nécessaire de développer dans les années à venir une nouvelle méthodologie expérimentale/numérique pour proposer des conceptions innovantes, capables de répondre aux enjeux et aux défis de l'industrie spatiale. Dans ce cadre, cette thèse présente des résultats théoriques et de simulation sur la physique des plasmas froids magnétisés à basse pression dans les plans radial-azimutal et axial-azimutal d'un HT. Le code Particle-in-Cell (PIC) 2D LPPic a été enrichie en rajoutant l'effet de la troisième dimension (i.e. pas considerée dans la simulation) et un circuit externe, pour se rapprocher des propulseurs réels. De plus, une technique de reconstruction spectrale (PSD2P) pour calculer localement la densité spectrale de puissance a été implémentée pour analyser les résultats des simulations.Les instabilités du plasma ont un impact direct sur la physique de la décharge et sur la performance du propulseur, car elles influencent fortement le transport anormal des électrons dans la direction axiale. Dans ce travail, nous présentons une étude théorique du développement des instabilités, en dérivant une relation de dispersion 3D. La dispersion 3D a été simplifiée pour retrouver les dispersions 1D et 2D les plus connues pour ce type de plasmas. Ces relations théoriques ont ensuite été comparées aux résultats des simulations PIC. Les simulations radiales-azimutales ont permis de formaliser un critère pour le développement de l'instabilité modifiée à deux faisceaux (MTSI) et d'en évaluer la contribution au transport anormal. D'autre part, les simulations axiales-azimutales ont permis de caractériser l'instabilité de transit de ions (ITTI), en mieux comprenant sa croissance et son effet sur la population d'ions à basse énergie dans la plume du propulseur. En outre, les simulations axiales-azimutales ont montré que l'instabilité acoustique ionique (IAW) se forme dans la partie centrale du canal du propulseur et se propage ensuite vers la cathode et l'anode.Enfin, le code LPPic a été utilisé pour étudier l'influence de divers paramètres d'entrée (température électronique de la cathode, tension de l'anode, débit massique, forme du champ magnétique, propergol) sur les caractéristiques de la décharge et les performances du propulseur. La stabilité du code LPPic par rapport à grandes variations des valeurs d'entrée suggère qu'un code PIC 2D pourrait être utilisé dans une méthodologie expérimentale/numérique pour concevoir de nouveaux dispositifs en pré-sélectionnant des configurations/conditions de fonctionnement intéressantes avant de réaliser des simulations PIC 3D.