Modèle numérique du propulseur de satellite PEGASES

Abstract

The electric spacecraft propulsion industry is actively transitioning to new propellants.Until recently, the favoured propellant was xenon. It is the heaviest stable noble gas, characteristics that enhance the thrust-to-power ratio of electric thrusters. However, the limited supply cannot satisfy the growing demand as space industrializes.New propulsion systems are designed around lighter noble gases, trading efficiency for affordability.Others make use of molecular propellants, namely iodine. Despite being reactive, this element, a neighbour of xenon in the periodic table, can offer similar performances with the benefit of a higher storage density.The development of the next propulsion systems requires design and simulation tools adapted to alternative propellants. In this work, we propose using a 1D Particle-In-Cell code coupled with a fluid model as a fast way to simulate the low-pressure discharges found in electric thrusters.We implemented an analytical model to emulate the particle transport in the unsimulated directions.This method allows the simulation of simple geometries with a 1D model. In addition, the vacuum permittivity scaling technique allows to speed up whole device simulations.To ensure the accuracy of our model, we extensively validated it using the diagnostic data measured on the PEGASES thruster. This validation process covered a range of noble gases and iodine ICP discharges, including argon, krypton, xenon.Noble gas validation showed that the code could reproduce the trends in the electron parameters as the pressure and power evolved. However, its reduced dimensionality and the fluid model hinder its predictive power at low pressure and high power. In iodine, the low-pressure simulations are in good agreement with the experimental data. However, the model struggles to maintain the delicate balance between the numerous species at high pressure.L'industrie de la propulsion spatial électrique est en train de transitionner vers de nouveaux ergols.Jusqu'à récemment, le xénon était privilégié. Il s'agit du plus lourd des gaz nobles stable, caractéristiques qui bénéficient au rapport poussée/puissance des propulseurs électriques.Cependant, l'offre limitée ne peut satisfaire la demande croissante à mesure que l'espace s'industrialise.De nouveaux systèmes de propulsion sont conçus autour de gaz nobles plus légers, sacrifiant l'efficacité pour le prix. D'autres utilisent des ergols moléculaires, notamment l'iode.Bien que réactif, cet élément voisin du xénon dans le tableau périodique peut offrir des performances similaires avec l'avantage d'une plus grande densité de stockage.Le développement des prochains systèmes de propulsion nécessite des outils de conception et de simulation adaptés aux ergols alternatifs. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser un code 1D Particle-In-Cell couplé à un modèle de fluide comme moyen rapide de simuler les décharges à basse pression que l'on trouve dans les moteurs électriques. Nous avons mis en œuvre un modèle analytique pour émuler le transport des particules dans les directions non simulées.Cette méthode permet de simuler des géométries simples avec un modèle 1D. En outre, la technique de changement d'échelle de la permittivité du vide permet de simuler rapidement des systèmes complets.Pour garantir la précision de notre modèle, nous l'avons validé de manière approfondie en utilisant les diagnostic mesurées sur le propulseur PEGASES. Ce processus de validation a couvert des décharges inductives avec de l'iode et divers gaz nobles, l'argon, le krypton et le xénon.La validation des gaz rares a montré que le code pouvait reproduire les tendances des variations des paramètres électroniques au fur et à mesure de l'évolution de la pression et de la puissance.Cependant, sa dimensionnalité réduite et le modèle fluide, entravent son pouvoir prédictif aux plus basses pressions et a trop haute puissance. Pour l'iode, les simulations à basse pression sont en bon accord avec les données expérimentales. Cependant, le modèle peine à maintenir l'équilibre délicat entre les nombreuses espèces à haute pression