Aujourd’hui les propulseurs à effet Hall ont gagné une position dominante dans le marché des propulseurs électriques spatiales. Ce grand succès est du surtout à leur simplicité de réalisation (par rapport aux autres typologies des propulseurs) et à leur efficacité (par rapport aux propulseurs chimiques traditionnels). Les propulseurs à effet Hall sont aujourd’hui utilisés sur un très grand nombre des plateformes satellitaires (surtout pour les télécommunications). Les composants principales d’un propulseur à effet Hall sont : le circuit magnétique, le canal plasma, l’anode (placé au fond du canal plasma avec injecteur du gaz) et la cathode (placée à l’extérieur du canal plasma). Le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall est basé sur la génération d’un champ électrique axial (généré entre l’anode et la cathode) et d’un champ magnétique radial (perpendiculaires entre eux). Le champ magnétique a le rôle de former une zone de très forte concentration électronique (il emprisonne les électrons générés par la cathode) pour permettre aux atomes neutres du gaz de se ioniser. Le champ électrique a le rôle d’accélérer les ions vers l’extérieur du canal. Cette accélération génère la poussée. Le champ magnétique joue un rôle crucial dans le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall. La forme du champ magnétique impacte sur les performances propulsifs et sur l’érosion du propulseurs. La topologie magnétique classique des propulseurs à effet Hall n’a subi presque pas des changements depuis les années de développement de cette technologie parce qu’elle garanti des performances propulsifs assez satisfaisantes. Aujourd’hui, avec les nouvelles exigences propulsifs, il y a une très forte nécessité des moteurs avec une durée de vie plus longue. Des nouvelles topologie magnétique innovante sont proposés aujourd’hui comme par exemple le "Magnetique-Shielding" ou le "Wall-Less" . Ces topologies magnétique bouleverse complètement la topologie magnétique classique (en gardant des performances propulsif satisfaisantes) pour protéger le moteur de l’érosion du plasma. Dans cette thèse une autre approche a été adopté. Nous avons pensé d’utiliser une topologie magnétique classique et de déplacer les parties du circuit magnétique attaquées par l’érosion vers des zones moins dangereuses. Nous avons agit sur la forme du circuit magnétique et pas sur la forme de la topologie magnétique pour garder les même performances propulsifs de la topologie magnétique classique. L’objectif de la thèse était de créer des outils pour le design et l’optimisation des circuits magnétiques des propulseurs à effet Hall. Un algorithme nommé ATOP a été créé dans l’équipe de recherche GREM3 du laboratoire LAPLACE de Toulouse. Cette thèse a contribué à la création de la section d’optimisation paramétrique (ATOPPO) et d’une section d’optimisation topologique basée sur les algorithmes génétiques (ATOPTOga) de l’algorithme ATOP. Les algorithme conçues dans cette thèse permettent d’optimiser des propulseurs existants (en terme de forme, masse et courant) ou de concevoir des nouveaux propulseurs (nécessité de concevoir un nouveau propulseur capable de reproduire une topologie magnétique précise). Les algorithmes développées ont démontrés leur efficacité à travers leur application sur un propulseur réel, le PPS-1350-E® de SAFRAN. Ce propulseur a été optimisé en terme de masse et de courant bobines (minimisation de la masse et du courant bobines). Les algorithmes développés ont démontré donc leur efficacité comme instrument d’optimisation et de design. Ces deux algorithmes ont été utilisé pour le design d’un circuit magnétique innovant qui a comme objectif de réduire l’érosion du moteur. Les résultats de ce processus de design ont amené à la réalisation et à la construction d’un prototype qui possède la même topologie magnétique du propulseur PPS- 1350-E® commercialisé par SAFRAN mais avec une circuit magnétique de forme différente. / 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 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 and ferromagnetic parts which guide the and to shape the 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 the 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 ATOPTO (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 ATOPPO. The ATOP algorithm becomes a very versatile optimization tool for Hall Effect thruster magnetic circuits.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017INPT0035 |
| Date | 27 April 2017 |
| Creators | Rossi, Alberto |
| Contributors | Toulouse, INPT, Henaux, Carole, Messine, Frédéric |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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