Cerfacs Entrez dans le monde de la haute performance...

Exploration des méthodes pour la simulation numérique des propulseurs à effet Hall

ED MEGEP

https://youtube.com/live/8lX7ceLACbg?feature=share

Au cours des quinze dernières années, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a connu une augmentation exponentielle. Le coût élevé des lancements spatiaux a poussé les fabricants à adopter des technologies de propulsion plus efficaces, telles que les propulseurs électriques. Les propulseurs à effet Hall appartiennent à cette catégorie et ont démontré une efficacité remarquable ainsi qu’une durée de vie accrue pour les transferts orbitaux, le maintien à poste orbital et l’exploration spatiale. Cependant, la physique de ces propulseurs n’est pas encore totalement comprise, notamment en ce qui concerne l’érosion anormale de la paroi céramique au niveau du plan de sortie du propulseur, ainsi que les différentes instabilités qui apparaissent sur une large gamme de fréquences, telles que les « spokes » rotatifs, les modes de respiration, les instabilités de gaine et de dérive des électrons. Ces phénomènes empêchent une modélisation simple des propulseurs et, par conséquent, complexifient le développement de moteurs à poussées plus élevées et plus efficaces, qui doit donc encore se faire de manière empirique.

Face à ces défis, les simulations numériques se sont imposées comme un outil crucial pour améliorer notre compréhension et prédire le comportement des propulseurs à effet Hall. À cette fin, le CERFACS, en collaboration avec Safran Spacecraft Propulsion et le Laboratoire de Physique des Plasmas, développe depuis 2016 le code AVIP. AVIP est un outil de simulation massivement parallélisé qui utilise une grille non-structurée et supporte à la fois les approches lagrangienne (Particle-in-Cell, ou PIC) et eulérienne (fluide), offrant ainsi une flexibilité dans la modélisation des différentes dynamiques du plasma du propulseur. Les premiers résultats obtenus avec AVIP ont permis des études détaillées des instabilités azimutales caractéristiques des propulseurs à effet Hall.

L’objectif principal de cette thèse était d’étudier et de finaliser une version d’AVIP capable de réaliser des simulations de haute fidélité des propulseurs à effet Hall avec un équilibre entre le coût de calcul et la précision, en exploitant à la fois les modèles PIC et fluides. Nous avons explicité les détails de mise en œuvre des éléments nécessaires pour un tel solveur dans un cadre parallèle non structuré basé sur le solveur à vocation académique et industrielle AVBP, et détaillé les défis numériques et d’optimisation qui en découlent. Ensuite, la capacité de ce code à effectuer des calculs de plasma a été évaluée sur cas test 1D ainsi que sur une configuration 2D représentative d’un propulseur à effet Hall et montrant des traces de l’instabilité de dérive électronique. Enfin, une décharge de Penning a été simulée dans le cadre d’un benchmark international en utilisant la méthode PIC afin de vérifier notre capacité à capturer les « spokes » rotatifs et de définir un cas de référence pour de futures simulations fluides.

Jury

Khaled Hassouni	Professeur – LSPM, CNRS	Rapporteur
Francesco Taccogna	Chercheur – ISTP, CNR	Rapporteur
Anne Bourdon	Professeure – LPP, CNRS	Examinatrice
Laurent Garrigues	Professeur – LAPLACE, CNRS	Examinateur
Bénédicte Cuenot	Ingénieure experte – Safran Aircraft Engines	Directrice de thèse
Benjamin Laurent	Ingénieur – Safran Spacecraft Propulsion	Invité
Nicolas Barléon	Chercheur – CERFACS	Invité