V - thesesups - Université Paul Sabatier

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En vue de l'obtention du
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Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Physique et ingénierie des plasmas de décharge
JURY
Président
Rapporteurs
Examinateurs
Invités
Dominique Toublanc, Professeur
Michel Dudeck, Professeur
Fabrice Doveil, Directeur de Recherche CNRS
Tiberiu Minea, Professeur
Jean Pierre Boeuf, Directeur de Recherche CNRS
Laurent Garrigues, Chargé de Recherche CNRS
Gerjan Hagelaar, Ingénieur de Recherche CNRS
Anne Héron, Chargé de Recherche CNRS
Stéphane Mazouffre, Chargé de Recherche CNRS
Denis Arrat, CNES
Stephan Zurbach, Snecma
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAPLACE
Directeur(s) de Thèse : Jean Pierre Boeuf et Laurent Garrigues
Présentée et soutenue par Jaime Pérez Luna
Le 28 novembre 2008
Titre : Modélisation et diagnostics d’un propulseur à effet Hall

C’est curieusement après un grand nombre de hasards que je peux aujourd’hui mettre sur
papier mes travaux de thèse. Si le choix d’une thèse en propulsion spatiale, au sens large,
m’avait paru évident il y a trois ans, la physique des plasmas m’était elle complètement
inconnue. A l’époque, encore au Canada, la possibilité d’un stage de fin d’études en propulsion
plasmique à Orléans m’avait paru une bonne occasion pour m’immiscer dans le monde de la
recherche tout en restant dans la thématique que je recherchais. Le hasard a voulu que je
candidate à une thèse dans un laboratoire en étroite collaboration avec le laboratoire d’Orléans,
sans en avoir connaissance. J’ai été accepté pour cette thèse et ce manuscrit reflète le travail
effectué pendant ces trois ans.
Je remercie donc tout d’abord Stéphane Mazouffre pour m’avoir initié à la recherche pendant
mes cinq mois de stage à Orléans. Son dynamisme est vraiment contagieux et je l’en remercie.
C’est avec beaucoup de plaisir que j’ai pu continuer à travailler avec lui pendant ma thèse. Bien
évidemment, je remercie chaleureusement Jean Pierre Boeuf pour m’avoir accordé cette thèse,
avec pour seul contact des conversations téléphoniques depuis le Canada. Je le remercie
sincèrement pour ses conseils et ses critiques. Je me sens véritablement très chanceux d’avoir eu
Jean Pierre comme directeur de thèse, autant pour ses qualités scientifiques que personnelles. Je
remercie aussi chaleureusement Laurent Garrigues et Gerjan Hagelaar pour m’avoir
accompagné dans mon travail. On ne peut pas rêver de paire plus complémentaire. Malgré ses
choix footballistiques douteux, Laurent aura toujours été là pour donner un coup de pouce et de
bonnes idées. Gerjan, lui, aura toujours pris le temps de répondre à toutes mes interrogations. Je
connais peu de personnes qui expliquent aussi clairement des phénomènes physiques complexes.
Je tiens également à remercier Jean Claude Adam et Anne Héron qui ont tout fait pour que je
puisse comprendre en profondeur leurs travaux, en répondant clairement et rapidement à la
moindre de mes questions.
Je remercie également Dominique Toublanc pour avoir présidé mon jury de thèse, Fabrice
Doveil, Michel Dudeck et Tiberiu Minea pour leurs rapports ainsi que Denis Arrat et Stephan
Zurbach pour avoir fait partie de mon jury. Je remercie aussi le CNES et la Snecma pour leur
soutien financier.
Je remercie aussi naturellement tout mon entourage au laboratoire: Thomas pour plein de
choses : le parapente, le go, le droit civil… ; Nicolas pour ses tartelettes à l’amande (mmm) et
ses astuces en info ; Amine, pour ses cours de ﺔّﻴﺑَﺮَﻌْﻟا (même si j’ai arrêté au milieu, je retiens
badinjane) ; toute l’équipe du midi : Freddy, Pierre, Benoit, Gwenael, Kremena, Encarni, Stan,
les anciens : Claude et Nicolas B., les nouveaux : Noureddine et Nicolas K ; et plein d’autres :
Thierry, Juslan, Abdelatif…
Je remercie bien sûr aussi mes colocataires du Central : David, Fab et SebM. C’est la fin de
l’armoire à bêtises, la fin d’une époque ! Je remercie ma petite Julie, que je vais retrouver après
trois ans, enfin, pour notre petit voyage.
Y gracias a Papá, Mamá, Alex, David y Cesar, entre otras muchas cosas por haber venido todos
a Toulouse para mi presentación.
Bonne lecture !

Table des matières
Introduction générale..................................................................................1
Chapitre I
La propulsion électrique dans l’espace.....................................................5
I.A Bref historique................................................................................................ 6
I.B La propulsion spatiale et ses besoins ............................................................ 8
I.B.1 Missions spatiales et quantification des besoins ...................................... 8
I.B.2 Propulsion chimique et propulsion électrique........................................ 10
I.C Famille des propulseurs électriques............................................................ 12
I.C.1 Propulseurs électrothermiques................................................................ 12
I.C.2 Propulseurs électrostatiques ................................................................... 13
I.C.3 Propulseurs électromagnétiques............................................................. 14
I.D Propulseur à effet Hall................................................................................. 15
I.D.1 Historique ............................................................................................... 15
I.D.2 Principe de fonctionnement.................................................................... 15
I.D.3 Propulseurs étudiés dans cette thèse....................................................... 16
I.D.4 Physique du moteur................................................................................ 18
I.E Etat de la recherche en propulsion par effet Hall ..................................... 20
I.E.1 Etats Unis.................................................................................................... 20
I.E.2 Russie ......................................................................................................... 22
I.E.3 Europe......................................................................................................... 23
I.E.4 Asie............................................................................................................. 25
Chapitre II
Modélisation hybride d’un propulseur à effet Hall...............................29
II.A Description du modèle.................................................................................. 30
II.A.1 Domaine de calcul.................................................................................. 30
II.A.2 Champ magnétique................................................................................. 30
II.A.3 Traitement particulaire des atomes......................................................... 32
II.A.4 Traitement particulaire des ions ............................................................. 34
II.A.5 Traitement fluide des électrons .............................................................. 36
II.A.6 Résolution numérique............................................................................. 39
II.A.7 Mobilité anormale .................................................................................. 43