Impact of cathode material on performances and plasma behavior of a high-current vacuum arc thruster
Les propulseurs à arc sous vide représentent une technologie de propulsion spatiale innovante, légère et compacte. Ils fonctionnent en générant des arcs électriques qui, dans le vide de l'espace, vaporisent et ionisent le matériau composant la cathode. Ce dernier est expulsé à grande vitesse ce...
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| Andre forfattere: | , , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Sprog: | Anglais |
| Udgivet: |
2025.
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| Fag: | |
| Online adgang: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2025ORLE1085_va.pdf https://theses.fr/2025ORLE1085/abes https://theses.hal.science/tel-05669012 |
| Kommentar: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Arnaud Bultel (Président du jury) ; Ulysse Weller, Dunpin Hong, Thomas Yung (Membre(s) du jury) ; Arnaud Bultel, Michael Keidar (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Impact du matériau de la cathode sur les performances et le comportement du plasma d'un propulseur à arc sous vide à fort courant |
| Summary: | Les propulseurs à arc sous vide représentent une technologie de propulsion spatiale innovante, légère et compacte. Ils fonctionnent en générant des arcs électriques qui, dans le vide de l'espace, vaporisent et ionisent le matériau composant la cathode. Ce dernier est expulsé à grande vitesse ce qui génère ainsi une poussée dans la direction opposée. Ces propulseurs sont particulièrement adaptés aux petits satellites grâce à leur simplicité, leur faible consommation énergétique et leur utilisation d'un ergol solide, ce qui minimise leur masse. Cependant, la physique des arcs sous vide dans un contexte de propulsion reste encore partiellement méconnue. En particulier, la dynamique de l'érosion de la cathode nécessite des travaux de recherche approfondis pour comprendre, et donc optimiser, l'utilisation des ergols. Dans cette thèse, le comportement du plasma généré par le PJP, un propulseur à arc sous vide développé par l'entreprise COMAT, est analysé à l'aide de divers moyens expérimentaux. Ce propulseur se distingue par sa compacité et sa capacité à développer un fort courant sur une impulsion très brève. Des campagnes de mesures résolues en temps par sondes électrostatiques montrent une densité de plasma élevée, ainsi qu'une vitesse des ions supérieure à celle trouvée dans d'autres propulseurs du même type. Différentes méthodes d'imagerie révèlent que les pieds de l'arc électrique forment des motifs fractals à la surface de la cathode. La façon dont ces motifs se forment, et la manière dont le matériau de la cathode influence leur géométrie, est analysée et interprétée. Enfin, la corrélation entre les phénomènes observés à l'échelle microscopique et les performances globales du propulseur est examinée. Les conclusions de ce travail posent les bases d'une compréhension plus aboutie des processus physiques à l'œuvre dans les propulseurs à arc sous vide, ouvrant la voie à leur optimisation future. Vacuum arc thrusters are a compact and lightweight form of electric propulsion. They operate by generating electrical arcs which, in vacuum, vaporize and ionize the cathode material. The resulting plasma is ejected at high speed, producing thrust in the opposite direction. These thrusters are well suited for small satellites due to their simple design, low power requirements, and use of a solid propellant which reduces the system mass. The physics of vacuum arcs in the context of space propulsion is still not fully understood. In particular, the mechanisms governing cathode erosion require further investigation to improve propellant utilization and thruster performance. In this work, the plasma produced by the PJP, a vacuum arc thruster developed by COMAT, is studied using several experimental diagnostics. The PJP is characterized by its compact geometry and its short discharge pulses developing a high current. Time-resolved measurements with electrostatic probes show high plasma densities, and ion velocities exceeding those typically reported for similar thrusters. Imaging reveal that the plasma emission sites on the cathode surface form fractal patterns. The formation of these structures and the influence of the cathode material on their geometry are analyzed and discussed. Finally, the link between microscopic phenomena and thruster performance is examined. The findings of this work provide new insight into the plasma dynamics governing vacuum arc thruster performance, and contribute to their future optimization. |
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| Emne beskrivelse: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Arnaud Bultel (Président du jury) ; Ulysse Weller, Dunpin Hong, Thomas Yung (Membre(s) du jury) ; Arnaud Bultel, Michael Keidar (Rapporteur(s)) |
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