approche experimentale de la physique des detentes supersoniques de plasma et des ...

137 Pages·2009·18.03 MB·French

HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES

Discipline : Physique des Plasmas
Université d’Orléans, France
Année 2009

A
PPROCHE EXPERIMENTALE DE LA PHYSIQUE DES
DETENTES SUPERSONIQUES DE PLASMA ET DES
H .
PROPULSEURS A EFFET ALL

par Stéphane Mazouffre
Chargé de Recherches au CNRS

Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement
1C, Avenue de la recherche scientifique, 45071 Orléans, France

Soutenue le 13 octobre 2009 devant la commission d’examen composée de :
Gérard Bonhomme, Professeur (Rapporteur), IJL, Nancy
Laifa Boufendi, Professeur, GREMI, Orléans
Pascal Chabert, Directeur de Recherches (Rapporteur), LPP, Palaiseau
Fabrice Doveil, Directeur de Recherches (Rapporteur), LPIIM, Marseille
Michel Dudeck, Professeur, IJRA, Paris
Dominique Grésillon, Professeur, LPP, Palaiseau
Michel Touzeau, Directeur de Recherches, LTM, Grenoble

S. Mazouffre Mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches
A -
VANT PROPOS

Ce mémoire, rédigé en vue de l’obtention de l’Habilitation à Diriger des Recherches, présente une
synthèse des travaux scientifiques que j’ai accomplis au cours de ces dix dernières années. Son
contenu se divise en deux grands axes, chacun correspondant à une thématique de recherche
spécifique. J’expose d’abord des résultats sur les écoulement supersoniques raréfiés de plasma,
sujet que j’ai amplement parcouru durant ma thèse de doctorat effectuée à l’Université
d’Eindhoven aux Pays-Bas. Ensuite, je m’étends plus longuement sur la propulsion électrique par
effet Hall en proposant une vue d’ensemble des recherches que j’ai conduit à l’ICARE dans le
cadre du GdR sur la propulsion à plasma.

J’espère que le document et son contenu seront d’une lecture claire et agréable et que le lecteur
curieux et souhaitant apprendre sur les deux sujets abordés y trouvera une introduction accessible
et des informations utiles.
J’espère, en outre, que ce manuscrit servira de document de référence sur le thème de la
propulsion électrique, non seulement pour les étudiants et les jeunes doctorants, mais également
pour des collègues à la recherche d’une information précise nécessaire à l’avancement de leurs
propres travaux.

Mes activités de recherche et les conclusions marquantes qui leurs sont associées sont décrites
dans les deux premiers chapitres de ce manuscrit. Le premier chapitre traite des jets supersoniques
de plasma et le deuxième revient soigneusement sur la physique des propulseurs à effet Hall. Le
troisième chapitre est consacré à mon projet de recherche à court et moyen termes, qui,
désormais, concerne uniquement le domaine de la propulsion spatiale à plasma. Des informations
complémentaires concernant mes publications ainsi que mes activités d’animation de la recherche,
d’encadrement et d’enseignements sont données dans la partie annexe.

A tous, bonne lecture.

Stéphane Mazouffre
Orléans, 14 juin 2009.

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S. Mazouffre Mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches

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S. Mazouffre Mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches
T M
ABLE DES ATIERES

CONSTANTES ; ACRONYMES ; NOTATIONS 1

INTRODUCTION GENERALE 3
PARCOURS ET CONTEXTE DES RECHERCHES…………………………………………..… 3
ORGANISATION DU MEMOIRE……………………………..…………………………..… 4

CHAPITRE 1 : ECOULEMENTS SUPERSONIQUES DE PLASMA 5
1 DETENTE AU TRAVERS D’UN ORIFICE SONIQUE…………………………..………..…... 5
1.1 Propriétés et intérêts des jets supersoniques de plasma………………..…... 5
1.2 Diagnostics par spectroscopie laser……………………………………....… 7
1.3 Formation d’une onde de choc stationnaire avec disque de Mach……..…... 9
1.4 Invasion du jet et recirculation du gaz…………………………………..…. 10
1.5 Impact des surfaces sur le transport de radicaux atomiques……………….. 10
2 DETENTE AU TRAVERS D’UNE TUYERE DE LAVAL…………………………………….. 11
2.1 Domaine d’opération de la soufflerie SR5……………………………….… 11
2.2 Création d’une onde de choc par réflexion régulière……………………..... 13
2.3 Ecoulement de CO : rentrées dans l’atmosphère Martienne…………….... 14
2
2.4 Interférométrie de Fabry-Pérot sur un milieu plasma……………………… 15
optiquement épais en mouvement
3 CONCLUSIONS…………………………………………………………………………. 16

CHAPITRE 2 : PROPULSION A PLASMA POUR LES VEHICULES SPATIAUX 17
1 ENJEUX ET CONTEXTE DES RECHERCHES……………………………..……………….. 17
1.1 La propulsion spatiale………………………………………………………. 17
1.2 Avantages et limites de la propulsion électrique………………………….... 18
1.3 Contexte des recherches……………………………………………………. 21
1.4 Le propulseur à effet Hall…………………………………………………... 22
2 PHENOMENES DE TRANSPORT IONIQUES ET ATOMIQUES…………..…………………... 25
2.1 Observation de la FDV des ions Xe+……………………………………….. 25
2.2 Recouvrement entre les zones d’ionisation et d’accélération………………. 30
2.3 Vitesse moyenne du fluide ionique et potentiel d’accélération…………..… 31
2.4 Formation d’ions supra-véloces …………………………………………..... 32
2.5 Capture des ions par RPA…………………………………………….......... 34
2.6 Transport des atomes Xe………………………………………………….... 35
3 CARACTERISTIQUES DU CHAMP ELECTRIQUE………………………………………..… 36
3.1 Extraction du champ électrique accélérateur……………………………….. 36
3.2 Influence de la tension, du débit et du champ magnétique…………..…….. 39
3.3 Comportement à basse fréquence……………………………………..……. 43
iii
S. Mazouffre Mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches

4 DEPOTS D’ENERGIE SUR LES PAROIS…………………………………………………... 47
4.1 Thermographie infrarouge………………………………………………….. 47
4.2 Détermination de la température d’équilibre des parois……………………. 50
4.3 Impact du matériau sur la température………………………..……………. 52
4.4 Evaluation des pertes d’énergie sur les parois………………………............ 54
5 LOIS D’ECHELLES ELEMENTAIRES………………………………….………………….. 59
5.1 Besoins en propulseurs à faible et à forte puissance……………..………… 59
5.2 Lois d’échelles élémentaires : aspect théorique……………..……………... 59
5.3 Evaluation semi-empirique……………………………………………..….. 61
5.4 Dimensionnement d’un propulseur de 20 kW…………………….……….. 65
5.5 Amélioration de la méthode………………………………………………… 65
6 TRAVAUX ANNEXES…………………………………………………………………… 66
6.1 Oscillations du plasma à haute fréquence………………………………….. 66
6.2 Dynamique des électrons à basse fréquence……………………………….. 67
6.3 Autres études………………………………………………………..……… 68
7 PROPULSEURS HYBRIDES HALL-RF…………………………………………………… 68
7.1 Architecture à double étage………………………………………………… 68
7.2 Séparation physique des processus d’ionisation et d’accélération…………. 69
7.3 Addition de puissance RF : concept hybride Hall-RF………………..…….. 71
7.4 Projet INTAS 8851…………………………………………….…………… 74
8 CONCLUSIONS………………………………………………………………..……….. 76

CHAPITRE 3 : PERSPECTIVES ET PROJETS EN PROPULSION 79
1 PROPULSION PAR EFFET HALL…………………………………………………….…… 79
1.1 Analyses des propriétés électroniques……………………………………… 79
1.2 Influence de la topologie magnétique……………………………..……….. 80
1.3 Autres recherches envisagées………………………………………………. 82
1.4 Projet européen HiPER sur la forte puissance……………………………… 82
1.5 Propulseurs hybrides Hall-RF………………………………........................ 83
2 PLASMA IONS-IONS……………………………………………….………..………….. 85
2.1 Le concept PEGASES……………………………………………………… 85
2.2 Moyen d’essais NExET…………………………………………………….. 87
2.3 Source RF d’ions négatifs et piège magnétique……………......................... 88
2.4 Essais d’un prototype – Prolongements possibles………………………….. 89

CONCLUSION GENERALE 90

BIBLIOGRAPHIE 91
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S. Mazouffre Mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches
ANNEXES
1 CURRICULUM VITAE……………………………………………...……………….. 97
2 LISTE DES PUBLICATIONS………………………………………………...…….…. 99
3 CONFERENCES ET CONGRES………………………………………………………. 111
4 COLLABORATIONS………………………………………………………………… 117
5 ENSEIGNEMENTS / ENCADREMENT……………….………………….…………..… 119
6 ANIMATION DE LA RECHERCHE……………………………………………………. 123
7 COMMUNICATION ET VULGARISATION……………………………………………. 125

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