Iodine plasmas : experimental and numerical studies. Application to electric propulsion

Autor: Marmuse, Florian
Přispěvatelé: Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP), Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École polytechnique (X)-Sorbonne Université (SU)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Sorbonne Université, Cyril Drag, Ane Aanesland, STAR, ABES
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Sorbonne Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020SORUS110⟩
Popis: Iodine is an alternative propellant for the electric propulsion of satellites, offering performances comparable to xenon. As of 2020, propulsion systems running on iodine are already on the market. These good performances are linked to the very low dissociation energy of I2, leading to a plasma similar to an atomic xenon plasma. To which extent can the molecular and electronegative nature of iodine plasmas be neglected? An existing global model for I2 plasmas is further developed and fully recoded in python, to enable fast parametric studies, uncertainty quantification, and integrate electronegative effects. Tools and processes are developed to ensure the safety of operators and experimental setups during iodine experiments. Four optical diagnostics are developed and installed on the ionization chamber of the PEGASES thruster. They lead for the first time to the density and temperature of I, and the density of I2: emission spectroscopy, laser absorption coupled to Doppler-free saturated absorption spectroscopy at 10969 cm−1 and 11036 cm−1, laser absorption spectroscopy at 7603 cm−1, and broadband absorption spectroscopy from 480nm to 500nm. Langmuir probe measurements yield the electron density and temperature. Confronting this data to the model shows that the model overestimates the molecular dissociation and the electron density. These discrepancies can be partly explained by underestimated power losses phenomena in the plasma, possibly linked to its molecular and electronegative nature. This work gives leads for future theoretical work and diagnostics on I2 plasmas. It proposes an updated model and a set of new diagnostics for use to further develop propulsion systems.
L'iode est un carburant alternatif pour la propulsion électrique des satellites, avec des performances comparables à celles du xénon. En 2020, de tels systèmes de propulsion à l’iode sont déjà sur le marché. Ces bonnes performances sont liées à la très basse énergie de dissociation de I2, produisant un plasma similaire à un plasma de xénon. À quel point peut-on négliger la nature moléculaire et électronégative des plasmas d’iode? Un modèle global de plasma d’iode est amélioré et recodé en python, permettant des analyses paramétriques rapides, la quantification des incertitudes, et intégrant des effets électronégatifs. Des outils et procédures sont mis en place pour la pérennité des installations durant les expériences à l’iode. Quatre diagnostics optiques sont développés et installés sur la chambre d’ionisation du propulseur PÉGASES. Ils mènent, pour la première fois, à la température de I, ainsi qu’à la densité de I et I2: spectroscopie d’émission, spectroscopie d’absorption laser et absorption saturée à 10969 cm−1 et 11036 cm−1, absorption laser à 7603 cm−1, et absorption large-bande de 480nm à 500nm. Confronter ces données et celles issues d’une sonde de Langmuir au modèle global montre que le modèle surestime la dissociation de I2 et la densité électronique. Ces écarts peuvent être partiellement expliqués par des pertes de puissance sous-estimées dans le plasma, possiblement liées à sa nature moléculaire et électronégative. Ce travail donne des pistes pour de nouvelles études théoriques et de nouveaux diagnostics sur les plasmas d’iode. Il propose un modèle mis à jour et un panel de nouveaux diagnostics, utiles pour le développement de nouveaux systèmes de propulsion.
Databáze: OpenAIRE
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