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Modélisation multi-échelle du couplage électrostatique entre un propulseur plasma et les sous-systèmes d'un satellite tout-électrique

Description

Ces deux dernières années ont été marquées par l’arrivée massive des satellites commerciaux tout-électriques dans l’industrie spatiale. La spécificité de ces plateformes est de permettre une mise à poste du satellite au moyen d’un ou plusieurs propulseurs plasma (le plus souvent des propulseur de Hall), plus communément nommé sous le terme EOR pour Electrical Orbit Rising. Cette technologie a l’énorme avantage de diviser par deux la masse d’un satellite à iso-fonctionnalité et donc de réduire les couts de lancement. Elle permet aussi d’envisager d’augmenter les capacités opérationnelles des satellites tout en conservant une masse inférieure aux capacités d’emport des lanceurs commerciaux. L’inconvénient de cette technologie est cependant de générer un plasma secondaire autour du satellite issu du propulseur plasma. En interagissant avec les surfaces externes du satellite et les systèmes électriques tels que les panneaux solaires, ce plasma est susceptible de créer de nombreux effets indésirables et de limiter les performances du système propulsif. L’objectif de cette thèse est de modéliser à l’échelle du système complet les interactions entre les propulseurs plasmas et les différents systèmes du satellite. L'Onera développe depuis 2005 le cœur numérique du logiciel SPIS (initié dans le cadre du réseau SPINE - http://dev.spis.org/projects/spine/home/spis) qui est aujourd'hui utilisé par la communauté scientifique et les acteurs industriels majeurs dans le domaine pour évaluer la propreté électrostatique des satellites. Il permet actuellement de modéliser en 3D l’interaction de jets plasmas issus de propulseurs avec les surfaces externes du satellite. Cependant, les modèles actuellement implémentés dans SPIS ne permettent pas de modéliser correctement un certain nombre de couplages pourtant essentiels à la quantification des effets liés à la propulsion plasma. En particulier, un couplage fort existe entre le point de fonctionnement du propulseur plasma, l’effet de jet plasma et le point de fonctionnement des générateurs solaires. Le Laplace a acquis aucours des dernières décennies une expertise sur la physique des propulseurs plasmas à travers le développement et l'utilisation de codes de simulations des propulseurs à courant de Hall. Ces modèles plasmas permettent de prédire les caractéristiques du plasma du propulseur pour une ensemble de points de fonctionnement, ce que ne permet pas du tout SPIS. Il existe donc une complémentarité entre les modèles développés au Laplace et à l’Onera.

L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations complètes du système propulsif plasma et de ses effets sur le satellite. Il s’agira donc d’étudier les couplages physiques ainsi que leurs effets sur le fonctionnement du propulseur dans des situations de fonctionnement réaliste d’un satellite de télécommunication tout électrique. Cela devra permettre d’anticiper les évolutions vers des plateformes de plus fortes puissances (supérieures à 20 kW) ou vers des plateformes plus flexibles en termes de fonctionnement.

Le travail du doctorant consistera donc à:

-    Analyser les différents éléments constituant un système complet d’une plateforme tout électrique, identifier les couplages physiques et les verrous en termes de modèle physique

-    Faire évoluer les codes de calcul permettant un couplage fort ou faible des différents systèmes et une mise en œuvre de la physique concernée.

-    Réaliser des simulations du système complet dans la configuration de satellites tout électriques existante afin de mieux comprendre et prédire le comportement électrostatique et plasma du satellite ainsi que leurs effets.

-    Evaluer les performances et les conséquences de différents scénarii d’augmentation de puissance embarquée et de mise en place de propulseurs avec des points de fonctionnement plus flexibles pour les futures plateformes tout-électriques

Profil

Master 2 ou école ingénieur en physique appliqué

Spécificité souhaitée: Physique des plasma, méthodes numériques pour la physique

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA/DPHY Toulouse
Directeur(rice) de thèse/recherche : Garrigues Laurent
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : laurent.garrigues@laplace.univ-tlse
Responsable Cnes de l'offre : PAYAN Denis

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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