Étude expérimentale des instabilités basses fréquences dans les propulseurs de Hall

Un propulseur de Hall est un dispositif de propulsion électrique pour les engins spatiaux dans lequel des ions sont accélérés pour générer une poussée. L'accélération des ions est provoquée par l'application d'une différence de potentiel électrique entre une anode, située au fond d'un canal annulaire dans lequel le plasma est généré, et une cathode, placée à l'extérieur du canal. La cathode fournit aussi les électrons nécessaires à l'ignition du plasma duquel seront extraits les ions. Ces électrons remontent le champ électrique en direction de l'anode. Sur leur chemin ils sont piégés par un champ magnétique radial, ce qui augmente considérablement leur temps de résidence dans le canal et donc leur probabilité d'effectuer une collision ionisante. Bien que nommé PPS pour propulseur à plasma stationnaire, la décharge est loin d'être figée dans le temps. Avec une décharge plasma sujette à de nombreuses oscillations plus ou moins irrégulières couvrant une large gamme de fréquence, allant de quelques Hz à plusieurs GHz et pouvant se propager dans des directions différentes, la dynamique est riche et complexe. Si certaines de ces oscillations peuvent être bénéfiques pour les performances du propulseur, elles peuvent aussi être délétères. Il est donc nécessaire de comprendre leur dynamique afin de pouvoir les contrôler. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur les instabilités basses fréquences, inférieures au MHz. L'étude du plasma nous a permis d'identifier différents régimes d'oscillations dans lesquels une analyse temps-fréquence a révélé la coexistence et l'interdépendance d'instabilités distinctes. Citons par exemple le breathing mode (BM), une instabilité d'ionisation axiale de grande amplitude oscillant à quelques kHz, ou les oscillations de temps de transit ionique (ITTO), qui évoluent autour de la centaine de kHz. On trouve aussi la trace d'oscillations à faible amplitude dont les fréquences peuvent s'étendre jusqu'à quelques MHz. Il a été observé que dans certains régimes d'oscillation du plasma, ces oscillations apparaissaient en cascade les unes avec les autres, c'est-à-dire que chaque oscillation de fréquence supérieure a besoin de conditions particulières pour se développer, conditions qui étaient périodiquement créées par les oscillations ayant une fréquence inférieure. Les résultats suggèrent également qu'une possible interaction entre le BM et les oscillations à plus haute fréquence conduit à des ITTO, car il a été montré qu'une transition se produisait lorsque la fréquence de l'une des harmoniques du BM devenait un multiple de la fréquence des ITTO. Ce phénomène s'accompagne également d'une déformation des fonctions de distribution de l'énergie des ions. L'irrégularité des oscillations pose également le défi du suivi temporel des fonctions de distribution en énergie des ions. Pour surmonter cette difficulté, une technique basée sur la détection d'événements similaires a été développée. Des évolutions de l'énergie des ions ont ainsi été mises en évidence sur deux échelles temporelles distinctes : d'une part, une réduction de l'accélération des ions à la fréquence des oscillations de BM et d'autre part, une oscillation de l'énergie des ions associée aux ITTO. Il a été observé que ces modifications de l'énergie des ions, ainsi que l'apparition d'oscillations à la fréquence des ITTO sur le courant de décharge, coïncident avec la réception d'un pic de signal capacitif. Ce signal traduit la modification de la répartition du champ électrique au sein de la décharge. Il a aussi été montré, pour la première fois par imagerie rapide, que la luminosité axiale de la plume (plasma en dehors du canal) était modulée à la fréquence des ITTO. Dans la direction azimutale, ont aussi été observées des fluctuations de la luminosité et de la distribution du courant de décharge, mettant en évidence l'existence de structures cohérentes, appelées rotating spokes, capables de se propager à la fois dans le sens E×B et -E×B.