Mención Internacional en el título de doctorLa propulsión eléctrica es una tecnología consolidada, utilizada por vehículos espaciales para llevar
a cabo maniobras no atmosféricas. Este tipo de motores cohete ha estado presente en numerosas
aplicaciones en las últimas décadas y sus usos van desde el mantenimiento de la posición orbital
de satélites comerciales a transferencias interplanetarias en misiones de exploración. La mayor
ventaja de los numerosos tipos de propulsores eléctricos es su capacidad de proporcionar un determinado
impulso a un coste de propelente reducido, en comparación con otros tipos de propulsión.
El desarrollo de los motores de plasma, la clase más común de propulsor eléctrico, se ha visto
impedido en mayor medida que los cohetes químicos, por ejemplo, debido a la complejidad de la
interacción de los fenómenos físicos y a dificultades asociadas con las campañas experimentales.
En las últimas dos décadas se ha introducido el uso de simulaciones numéricas para ayudar a
la caracterización de estos aparatos. A pesar de que el diseño asistido por ordenador juega aún
un papel muy reducido, el incremento de recursos computacionales y la creciente exactitud de
los modelos físicos han permitido a estas simulaciones describir numerosos mecanismos físicos,
explorar el espacio de diseño de estos aparatos y complementar los ensayos experimentales.
Esta tesis está centrada en el estudio numérico de la población de electrones en descargas de
plasma poco colisionales, bajo la influencia de campos eléctricos y magnéticos. El trabajo realizado
ha contribuido al desarrollo de una nueva herramienta de simulación híbrida, cuasi-neutra, bidimensional
y axisimétrica, denominada HYPHEN; su naturaleza híbrida se debe al tratamiento
por separado de las especies pesadas, descritas a través de un conocido método de partículas, y de
la población de electrones, descrita como un fluido. Una de nuestras mayores contribuciones es la
introducciÃsn de un modelo anisotrÃspico de dos temperaturas, que permite capturar los efectos
de la falta de uniformidad del campo magnético sobre el transporte de electornes. Esta función
abre el camino para la caracterización de nuevos propulsores electromagnéticos. Actualemente,
el código está orientado hacia la simulación de las regiones del canal y de la pluma cercana en
motores de efecto Hall, en los que se enfoca esta tesis. Parte del trabajo se ha dedicado a dotar al
código de las capacidades necesarias para la simulación de topologías magnéticas complejas.
El presente documento detalla la motivación detrás de HYPHEN, su metodología de diseño y
la influencia de trabajos previos. Se ha prestado una especial atención al modelo fluido propuesto,
detallando el uso de una malla alineada con el campo magnético para el tratamiento numérico de
la población confinada de electrones, para la cual se han utilizado diversos métodos ad-hoc de discretización
temporal y espacial. Varios modelos auxiliares también se han descrito, con el objetivo
de caracterizar la respuesta de la capa límite del plasma y de los distintos procesos colisionales en
el seno del mismo. Se presenta también el estudio de los aspectos numéricos del modelo fluido,
incluyendo la sensibilidad a condiciones iniciales, a los valores del paso temporal, el refinamiento
de la malla, etc. Finalmente, HYPHEN se ha testeado para la configuración de un conocido motor
Hall. Los resultados demuestran que las propiedades físicas y las actuaciones obtenidas son comparables
con resultados provenientes de estudios experimentales. Bajo este contexto, se ha llevado a
cabo un estudio paramétrico para determinar la dependencia de la respuesta del motor con algunos
de los parámetros más relevantes del modelo, tales como el transporte anómalo de electrones o la
fracción de termalización de la capa límite, y con los diferentes modelos colisionales.Electric propulsion is an established technology used for non-atmospheric spacecraft maneuvering.
This type of rockets have been present in numerous applications in the last decades, and their
uses range from station keeping of commercial satellites to interplanetary transfers in deep space
exploration missions. While electric propulsion thrusters are multi-faceted, presenting numerous
and distinct types, their best selling point is the capability to deliver a given impulse at much
lower propellant cost, in comparison to other types of propulsion.
The maturation of plasma thrusters, the most common type of electric propulsion devices, has
faced more limitations than chemical rockets, for example, due to the complexity of the physical
interactions at play, and the difficulties associated with experimental campaigns. Over the past
two decades, numerical simulations were introduced as a novel tool in the characterization of these
devices. While true computer-aided-design is not yet a reality, the increment of computational
resources and the heightened fidelity of the physical models have allowed to describe numerous
physical mechanisms, explore the design space of these devices and complement experimental
testing.
This thesis focuses on the numerical study of the electron population in weakly collisional
plasma discharges, under the influence of applied magnetic and electric fields. The work has been
a primary contribution in the development of a new, quasi-neutral, two-dimensional, axisymmetric,
hybrid simulation tool, called HYPHEN. Its hybrid nature responds to the different treatment of
the heavy species populations, described through a well known discrete-particle approach, and the
electron population, described as a fluid. One of our main contributions has been the introduction
of a two-temperature anisotropic approach, which allows capturing of the magnetic non-uniformity
effects over electron transport; this feature paves the way for the characterization of some novel
electromagnetic propulsion technologies. Presently, the code is oriented to the simulation of the
channel and near-plume regions in Hall effect thrusters, which have been the main focal point of
the thesis. Dedicated efforts have been directed to providing the capabilities for the simulation of
the plasma under complex magnetic field topologies.
The manuscript details the motivation and design methodology behind HYPHEN, as well as
the influence of previous work. Special attention has been given to the particularities of the
proposed fluid model; this includes the use of a magnetic field aligned mesh for the numerical
treatment of the electron population under magnetic confinement, for which ad-hoc spatial and
temporal discretization methods have been proposed. Additional ancillary physical models have
also been developed, characterizing the response of plasma boundary layers and the various collisional
processes in the plasma. The numerical aspects of the model have been investigated,
including the sensitivity to initial conditions, time-step values, mesh refinement, etc. Finally,
HYPHEN has been tested in the context of a representative Hall-thruster configuration. The
results were found to be in line with experimentally reported thruster performances and plasma
discharge quantities. Additionally, a parametric investigation has been carried out in order to
investigate the dependency of the thruster response with the most relevant model parameters,
such as the anomalous electron transport or the boundary layer thermalization fraction, and the
different collisional models.This work has been partially supported by the CHEOPS project, that received funding from
the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program, under grant agreement No.
730135. Additional support came from Project ESP2016-75887, funded by the National research
and development program of Spain.Programa Oficial de Doctorado en Plasmas y Fusión NuclearPresidente: José Javier Honrubia Checa.- Secretario: Mario Merino Martínez.- Vocal: Paul-Quentin Elia
