Description du sujet de thèse

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Contexte de travail

La propulsion ionique atmosphérique (aussi appelée Aero-Electro-Hydrodynamique AEH) est un sujet ancien dont l'intérêt a été récemment renouvelé pour ses avantages spécifiques : 100% électrique (zéro émission de CO2), quasi-silencieux, sans pièces mécaniques mobiles, distribuée et facile à contrôler. Les premières études dans les années 1955-65 ont découragées les recherches à cause d'une efficacité décevante (de l'ordre de quelques %) comparées à la propulsion des moteurs themiques qui atteignent 35%. Cependant, à haute vitesse cette efficacité est théoriquement capable d'atteindre 50% lorsque la vitesse de l'avion atteint la vitesse de drift des charges.
De récentes recherches à Boston MIT (Masuyama & Barrett 2013) ont montré que cette propulsion peut atteindre des performances meilleures que la propulsion classique (pour le rapport poussée/puissance). Ces résultats ont été confirmées par plusieurs équipes dont la notre où nous avons montré que cette propulsion pourrait faire voler Solar Impulse II (Monrolin et al 2017). Plus récemment, la propulsion par vent ionique a permit le vol autonome avec batterie embarquée d'un drone de 2.4 kg et 5m d'envergure au MIT (Xu et al, Nature, 2018). Ce travail a permit de démontrer qu'une telle propulsion est possible pour des drones. Dans ce contexte, l'AEH présente des avantages considérables pour les drones de haute-altitude : un couplage direct avec des panneaux solaire, un contrôle direct de la propulsion, et bien sûr une dimission des émission de CO2 (Plouraboué, Nature 2018).
La limitation de faible efficacité doit pouvoir être levée dans le contexte d'écoulements extérieurs rapides. Cette thématique est l'objet d'un projet European IPROP (EIC pathfinder) associant six partenaires Europeans (incluant l'IMFT avec une collaboration plus spécifique avec le laboratoire de Physique des plasma de l'Ecole Polytechnique, Paris-Saclay, et l'ISAE/DAEP) pour l'étude et le développement de cette nouvelle propulsion qui constitue le contexte de cette thèse.

Bibliography:
S. Coseru, D. Fabre, F. Plouraboué, Numerical study of ElectroAeroDynamic force and current resulting from ionic wind in emitter/collector systems, J. of Applied Physics, 129 (10), pp. 103304, 2021.
K. Masuyama, S.R.H. Barrett, I. Angelov, N. Wadefalk, J. Stenarson, On the Performance of electrohydrodynamic propulsion, Proc. Royal Soc. A, 50, 6,1480-1486, 2013.
C.K. Gilmore and S.R.H. Barrett, Electrohydrodynamic thrust density using positive corona-induced ionic winds for in-atmosphere propulsion, Proc. Royal Soc. A, 471(2175):20140912--20140912, 2015.
J. Lemetayer; C. Marion; D. Fabre; F.Plouraboué, Multi-inception patterns of emitter array/collector systems in DC corona discharge, J. Physics D: Applied Physics, 55 , 2022.
N. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic thrust for in-atmosphere propulsion, AIAA, 55, 12, 4296-4305, 2017.
N. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Revisiting the positive DC corona discharge theory : beyond Peek's and Townsend's law, Phys. Plasmas, 25, 063503, 2018a.
N. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic ionic wind, force field and ionic mobility in a positive DC wire-to-cylinders corona discharge in air, Phys. Rev. Fluid., 3, 063701, 2018b.
F. Plouraboué, Flying with ionic wind, Nature, 563 , pp. 476–477, 2018.

Contraintes et risques

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Informations complémentaires

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