DOSSIER THEMATIQUE N°5 - décembre 2011
Le projet PLASMAX
Interactions micro-ondes/plasma et applications aérospatiales
Pendant près de trois ans (de mars 2008 à septembre 2011), des chercheurs de l’ONERA, de l’Institut de mathématiques de Toulouse et du Laboratoire Laplace ont conjugué leurs recherches dans le cadre de ce projet.
L'objet de PLASMAX : développer des modèles relatifs aux interactions micro-ondes/plasmas en passant par une résolution couplée des équations de l'électromagnétisme et de la mécanique des fluides. Les applications envisagées concernent en particulier :
- la conception de nouveaux dispositifs hyperfréquence reconfigurables en exploitant la possibilité de contrôler la conductivité et/ou la permittivité d'un plasma localisé ;
- une meilleure compréhension des mécanismes de claquage dans l'air ou dans un gaz basse pression et son exploitation potentielle pour la protection d'une électronique sensible contre les agressions électromagnétiques ;
- l'étude de l'influence des matériaux dans l'effet multipactor.
Un modèle pour décrire le claquage micro-onde...
Figure 1 : Simulations (1) d'un claquage atmosphérique dans les conditions d'expérimentation
(2) tirées de Hidaka et al. (2008).
Les modèles développés pour décrire le claquage micro-onde combinent des approches physiques (formation et propagation du plasma) et des approches numériques par résolution des équations de Maxwell couplées au plasma (modèle FDTD). Ils ont été validés par comparaison avec l’expérience (Figure 1) montrant les phénomènes d’auto-organisation complexe de filaments plasmas lors d’un claquage micro-onde. Ces modèles ont été également étendus à la prise en compte d’effets thermiques ainsi que pour traiter les applications de blindage d’une électronique contre les agressions électromagnétiques par l’utilisation de filtres spatiaux reconfigurables (Figure 2).
Figure 2 : Analyse du comportement d’un réseau de motifs conducteurs : détermination des comportements dans l’état initial et après claquage.
Et un modèle de création d’un plasma en écoulement supersonique
Un modèle spécifique de création d’un plasma en écoulement supersonique a également été développé pour prendre en compte le couplage fort entre mécanique des fluides et plasmas. L’expérience numérique qui a été menée permet de simuler les effets d’un plasma de quelques micromètres sur un obstacle cylindrique de quelques dizaines de centimètres. Le plasma correspondant est celui généré par un femtolaser. Les résultats indiquent une réduction significative de la traînée du corps pendant un temps inférieur à la microseconde à partir d’une source micro-onde classique. Notons que ces effets sont différents de ceux d’une perche solide et plus réactifs aux stimuli du contrôle.
Figure 3 : Réduction de traînée en écoulement supersonique par l’utilisation d’une perche plasma :
(1) état initial du gaz, (2) réduction de traînée après allumage de la perche.
(1) état initial du gaz, (2) réduction de traînée après allumage de la perche.
De nouvelles avancées scientifiques
Le projet Plasmax a permis de progresser sensiblement dans le domaine des dispositifs à plasma reconfigurables qu’ils s’agissent de filtres dont le plasma contrôle l’intensité entre électrodes d’excitations ou de matériaux spécifiques dont on peut définir une bande interdite, les conduisant ainsi à se comporter en filtre passe-bande. La collaboration Laplace/ONERA a permis une confrontation directe expérience-calcul sur un banc expérimental dédié à cette étude (Figure 4).
Figure 4 : Caractérisation de structures métamatériaux (à bande interdite électromagnétique (BIE).
D’une manière générale, ce projet a permis des avancées dans la modélisation de phénomènes fondamentaux dans l’évolution des plasmas soumis à des champs électromagnétiques micro-ondes: diffusion anisotrope, limites de dérive cinétique et gyro-cinétique, définition de modèles Euler-Maxwell ou Vlasov-Maxwell, étude de l’effet Hall électromagnétique… Il a aussi apporté des résultats nouveaux sur l’effet multipactor (multiplication d’électrons dans un champ électrique hyperfréquence). Ces éléments montrent l’importance de la contribution théorique pour le développement d’applications qui, bien que développées pour le domaine aérospatial, en excède les contours stricto sensu.
Coordinateur du projet : Florent Christophe (ONERA)
Laboratoires impliquées : ONERA (DEMR-DEST-DTIM), LAPLACE, IMT
Pour en savoir plus :
- PLASMAX - Interactions micro-ondes/plasmas et applications aérospatiales
- Wideband RF Characterization of Micro-Discharge Plasma Parameters
- Caractérisation de matériaux plasma pour la conception de fonctions hyperfréquences
- Switchable directional filter based on defect-control by plasma discharge within a metallic EBG structure
- FVTD Modeling of a Localized Microwave Plasma Discharge in Microstrip Wave Guide
- Introduction of a 3D Particle-In-Cell (PIC) method
- Asymptotic-Preserving schemes for strongly anisotropic diffusion problems...
- Numerical methods for fluid and kinetic plasma model in the quasineutral limit
- PLASMAX - Interactions micro-ondes/plasmas et applications aérospatiales
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