Projet de conception de fin d’études (avion ou CubeSat)

Un projet de conception complet, des exigences à la revue : choisissez une filière drone électrique ou CubeSat 3U, rédigez les exigences, sélectionnez un concept, dimensionnez-le, bouclez les bilans de puissance, de liaison, structurels et thermiques, planifiez coût, calendrier et risques, testez, et présentez lors d’une revue de conception, avec six TP sur tableur. Gratuit, à votre rythme, et relié au CubeSat Launch Initiative de la NASA, aux CubeSats PREFIRE et au Sustainable Flight National Partnership de la NASA.

NASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)NASA/Kim Shiflett (KSC-20210927-PH-KLS04_0013, Sept. 27, 2021)NASA/Liz Wilk (KSC-20221109-PH-LNW01_0001)NASA/Michael DeMocker (MAF20210116_GR0006)

Cours › AERO 490

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À propos de ce cours

Ceci est le plan d’un cours gratuit en autonomie rédigé par Saving Planets. Ce n’est pas un cours universitaire : il ne donne aucun crédit académique et aucun établissement n’y participe.

Son périmètre suit un projet de fin d’études aérospatial d’un semestre en dernière année. Il s’inspire de l’approche concevoir-dimensionner-réaliser-exploiter de MIT 16.83X Space Systems Engineering (gratuit sur MIT OpenCourseWare) et du NASA Systems Engineering Handbook, que nous citons lorsqu’ils sont utiles. Ni le MIT ni la NASA n’approuvent cette page.

Ce que nous ajoutons : deux filières parallèles (un petit drone électrique ou un CubeSat 3U), chaque module relié à un travail réel avec une source publique citée, chaque nombre de la page recalculé par un script de vérification avant sa mise en ligne, et chaque TP dans un tableur gratuit.

Suivez-le dans l’ordre, seul ou en équipe. Chaque module comporte des objectifs, des idées clés, des équations, des exemples pas à pas, des exercices avec réponses complètes, des erreurs fréquentes, des fiches et un quiz. Votre progression est enregistrée uniquement dans ce navigateur.

Comment ce cours aide à sauver la planète

Les équipes de fin d’études construisent les satellites et les aéronefs qui mesurent et protègent la planète : des CubeSats étudiants volent grâce au CubeSat Launch Initiative de la NASA, et de petits satellites comme PREFIRE étudient comment l’Arctique évacue sa chaleur.

Côté avion, le Sustainable Flight National Partnership de la NASA vise des gains d’efficacité énergétique de 25–30%. Chaque module se termine par une courte section sourcée. Les valeurs qui ne proviennent pas d’une source sont indiquées comme valeurs d’exemple ou de manuel.

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Avant de commencer

Prérequis

Avionique et ingénierie système : exigences, fiabilité et vérification.
Conception d’engins spatiaux : bilans de puissance, thermique et de liaison.
Performances des avions : portance, traînée, autonomie et montée.
Structures aérospatiales : contraintes, coefficients de sécurité et marges.

Comment étudier

Tenez un seul carnet de conception ou tableur d’où découlent tous les nombres.
Rattachez chaque choix de conception à une exigence.
Bouclez les bilans avec marge avant d’ajouter des détails.
Tenez de courtes revues hebdomadaires, même en travaillant seul.
Rédigez au fil de l’eau : chaque module ajoute une section à votre rapport final.
Faites chaque exercice sur papier avant d’ouvrir la réponse, et refaites les quiz quelques jours plus tard.

Matériel de TP (pour les TP en laboratoire)

Un tableur (n’importe quel tableur gratuit), ou Python.
Le NASA Systems Engineering Handbook gratuit dans un navigateur web.
Un logiciel de présentation gratuit pour vos revues de conception.
Une calculatrice.

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Programme suggéré sur 15 semaines

Environ 6 à 9 heures par semaine : lecture, exercices et, les semaines de TP, le TP.

Semaine	Unité	Thèmes	Lecture
1	Mission, parties prenantes et exigences	Mission et exigences ; TP A	NASA SE Handbook
2	Génération et sélection de concepts	Sélection du concept ; TP B	MIT 16.83X
3	Filière avion : dimensionnement en masse et autonomie	Dimensionnement en masse de l’avion	NASA SFNP
4	Filière avion : dimensionnement en masse et autonomie	Autonomie et boucle de dimensionnement ; TP C	MIT 16.83X
5	Filière avion : charge alaire et puissance	Charge alaire et puissance	NASA SFNP
6	Filière CubeSat : dimensionnement et orbite	Dimensionnement et orbite du CubeSat ; TP D	NASA PREFIRE
7	Filière CubeSat : bilans de puissance et de liaison	Bilans de puissance et de liaison ; TP E ; entraînement au partiel	NASA SST SOA
8	Vérifications structurelles et thermiques	Vérifications structurelles et thermiques	MIT 16.83X
9	Coût, calendrier et risques	OT et calendrier	NASA SE Handbook
10	Coût, calendrier et risques	Valeur acquise et risques ; TP F	NASA SE Handbook
11	Prototype, essais et vérification	Planification du prototype	MIT 16.83X
12	Prototype, essais et vérification	Essais	NASA CSLI
13	Prototype, essais et vérification	Clôture de la vérification	NASA SE Handbook
14	Revues de conception et rapport final	Revue critique de conception	MIT 16.83X
15	Revues de conception et rapport final	Rapport final ; entraînement final	NASA SE Handbook

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Votre progression

Cochez les unités et les TP à mesure que vous les terminez, et faites les quiz. La progression et les scores sont enregistrés uniquement dans ce navigateur et ne nous sont jamais envoyés.

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Le laboratoire (Design studio)

L’atelier de conception est la partie pratique du cours. Ici, il est gratuit et réservé à l’entraînement, sans crédits.

Chaque TP est un outil de conception sur tableur, il n’y a donc aucun danger. Pour ce cours, ne construisez ni ne faites voler un vrai drone, ne chargez pas de batteries lithium et ne manipulez pas de matériel de lancement sans encadrement qualifié et dans le respect des règles locales. Faites des pauses d’écran, tenez-vous bien droit et gardez les câbles hors des passages.

Référence de sécurité : OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)

TP A : Suivi des exigences et des marges

Semaine 1

Objectif : Construisez le tableur d’exigences que tout votre projet utilisera, avec des marges calculées en direct.

\text{Margin}=(A-E)/E

Marge

Mode opératoire

Listez 10–20 exigences avec nombre, unité et méthode de vérification.
Saisissez une allocation de masse de 4.0 kg (valeur de manuel pour un 3U) ou une allocation de 5 kg pour le drone.
Saisissez des estimations de 3.4, 3.6 et 3.8 kg et calculez la marge.
Colorez en rouge les marges inférieures à 10%.

Tableau de données

Estimation (kg)	Marge
3.4	17.6%
3.6	11.1%
3.8	5.26%

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

(4.0 − 3.6)/3.6 = 11.1%.
(4.0 − 3.8)/3.8 = 5.26%.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Systems Engineering Handbook

Lien avec la planète : Le CubeSat Launch Initiative de la NASA a lancé plus de 150 CubeSats. NASA: CubeSat Launch Initiative

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP B : Matrice de sélection de concept avec sensibilité

Semaine 2

Objectif : Notez deux concepts et testez comment les poids changent le gagnant.

S=\sum w_is_i

Score pondéré

Mode opératoire

Saisissez les notes du module 2 : A (6, 9, 5), B (8, 6, 8).
Notez avec trois jeux de poids.
Tracez le gagnant en fonction du poids de la performance.
Rédigez un paragraphe pour défendre votre choix.

Tableau de données

Poids (coût, perf., risque)	A	B
0.3, 0.5, 0.2	7.3	7.0
0.4, 0.3, 0.3	6.6	7.4
0.2, 0.6, 0.2	7.6	6.8

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

A = 0.2 × 6 + 0.6 × 9 + 0.2 × 5 = 7.6.
B = 0.2 × 8 + 0.6 × 6 + 0.2 × 8 = 6.8.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

MIT OpenCourseWare 16.83X Space Systems Engineering (Spring 2002 – Spring 2003)

Lien avec la planète : Le SFNP de la NASA couvre véhicules, opérations et carburants durables. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP C : Boucle de dimensionnement du drone

Semaine 4

Objectif : Dimensionnez la masse au décollage de la filière drone pour plusieurs fractions batterie.

W_0=W_{pay}/(1-f_e-f_b)

Masse au décollage

Mode opératoire

Saisissez 1 kg de charge utile et une fraction à vide de 0.5.
Calculez la masse au décollage pour des fractions batterie de 0.25, 0.30 et 0.35.
Ajoutez la surface alaire à partir de W/S = 105.84 N/m².
Choisissez un point de conception et justifiez-le.

Tableau de données

Fraction batterie	Masse au décollage (kg)
0.25	4.0
0.30	5.0
0.35	6.67

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

1/(1 − 0.5 − 0.25) = 4.0 kg.
1/(1 − 0.5 − 0.35) = 6.67 kg.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

MIT OpenCourseWare 16.83X Space Systems Engineering (Spring 2002 – Spring 2003)

Lien avec la planète : Le SFNP de la NASA vise des gains d’efficacité énergétique de 25–30%. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

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TP D : Orbite et éclipse du CubeSat

Semaine 6

Objectif : Calculez la période et l’éclipse dans le pire cas pour des altitudes candidates.

T=2\pi\sqrt{a^3/\mu}

Période

Mode opératoire

Saisissez les altitudes 400, 500 et 600 km.
Calculez T et le nombre d’orbites par jour.
Calculez les minutes d’éclipse dans le pire cas.
Choisissez une altitude et notez le compromis avec la durée de vie liée à la traînée.

Tableau de données

Altitude (km)	T (min)	Éclipse (min)
400	92.6	36.1
500	94.6	35.8
600	96.7	35.5

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

T(600) = 2π√(6978.1³/398600.4) = 96.7 min.
Éclipse(400) = 0.390 × 92.6 = 36.1 min.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

Lien avec la planète : NASA : les CubeSats de PREFIRE ont été lancés en mai 2024. NASA Science: PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment)

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP E : Bilan de puissance et de données

Semaine 7

Objectif : Bouclez les bilans de puissance et de données du CubeSat avec marge.

V=R_bt_pn_p

Volume de données quotidien

Mode opératoire

Saisissez une production des panneaux de 22.9 W et une moyenne orbitale de 14.2 W.
Listez les charges et comparez-les à la moyenne orbitale.
Calculez les données par jour à 9600 bit/s pour 2, 4 et 6 passages de dix minutes.
Comparez avec les données quotidiennes de votre charge utile.

Tableau de données

Passages par jour	Données (Mbit)
2	11.52
4	23.04
6	34.56

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

9600 × 600 × 2 = 11.52 Mbit.
9600 × 600 × 6 = 34.56 Mbit.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

Lien avec la planète : NASA : les petits engins spatiaux sont désormais le principal moyen d’accès à l’espace pour de nombreux groupes. NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

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TP F : Suivi de la valeur acquise

Semaine 10

Objectif : Suivez la performance en coût et en délai sur trois dates d’avancement.

CPI=EV/AC,\ SPI=EV/PV

Indices de performance

Mode opératoire

Saisissez PV, EV et AC pour trois dates.
Calculez CPI et SPI.
Calculez l’EAC avec BAC = $100k.
Rédigez un état d’avancement d’une ligne pour chaque date.

Tableau de données

PV, EV, AC ($k)	CPI	SPI
20, 20, 22	0.909	1.00
50, 45, 48	0.9375	0.90
80, 76, 80	0.95	0.95

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

20/22 = 0.909.
76/80 = 0.95.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Systems Engineering Handbook

Lien avec la planète : Le manuel de la NASA couvre la gestion technique transversale. NASA Systems Engineering Handbook

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Séries d’entraînement aux examens

Chronométrez-vous : environ 10 minutes par problème. Comparez ensuite avec les solutions complètes.

Série d’exercices de mi-parcours (unités 1–5)

Marge d’une allocation de 4.0 kg sur une estimation de 3.6 kg ?
Afficher la solution complète
1. 0.4/3.6.
Réponse : 11.1%.
Masse au décollage pour 2 kg de charge utile, fraction à vide 0.45, batterie 0.3 ?
Afficher la solution complète
1. 2/0.25.
Réponse : 8 kg.
Charge alaire pour un décrochage à 14 m/s, C_Lmax 1.3 ?
Afficher la solution complète
1. ½ × 1.225 × 196 × 1.3.
Réponse : 156.1 N/m².
Période à 400 km ?
Afficher la solution complète
1. a = 6778.1 km.
Réponse : 92.6 min.
Autonomie de Bréguet avec L/D = 20 au lieu de 17 (valeurs du module 3) ?
Afficher la solution complète
1. 5235 × 20/17.
Réponse : 6159 km.

Série d’entraînement finale (modules 1–10)

Panneau de 0.09 m² à 30% de rendement ?
Afficher la solution complète
1. 1361 × 0.3 × 0.09.
Réponse : 36.7 W.
Batterie pour 10 W pendant 36 min à 25% de DoD ?
Afficher la solution complète
1. 10 × 0.6/0.25.
Réponse : 24 Wh.
MS pour 100 MPa, limite d’élasticité 276 MPa, FS 1.4 ?
Afficher la solution complète
1. 276/140 − 1.
Réponse : 0.971.
EAC avec BAC $200k, EV 60, AC 64 ?
Afficher la solution complète
1. CPI = 0.9375.
2. 200/0.9375.
Réponse : $213.3k.
Moyenne et écart-type d’échantillon de 2, 4, 6 ?
Afficher la solution complète
1. Moyenne 4.
2. √(8/2).
Réponse : 4 et 2.
Couverture de vérification, 45 sur 50 ?
Afficher la solution complète
1. 45/50.
Réponse : 90%.

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Fiche de formules

\text{Margin}=(A-E)/E,\ m_{alloc}=m_{est}(1+M)

S=\sum w_is_i,\ N=\prod n_i

W_0=W_{pay}/(1-f_e-f_b),\ R=(V/c)(L/D)\ln(W_i/W_f)

W/S=\tfrac12\rho V_s^2C_{L,max},\ P=W(V/(L/D)+RC)/\eta

T=2\pi\sqrt{a^3/\mu},\ f_e=\sin^{-1}(R_E/a)/\pi

P=S\eta A\cos\theta,\ E=P_et_e/DoD,\ L=20\log_{10}(4\pi d/\lambda)

F=nmg,\ MS=\sigma_{allow}/(FS\,\sigma)-1

CPI=EV/AC,\ SPI=EV/PV,\ EAC=BAC/CPI

\bar x=\sum x_i/n,\ s=\sqrt{\sum(x_i-\bar x)^2/(n-1)}

\text{Coverage}=n_{verified}/n_{req}

Constantes

Constante	Valeur
Paramètre gravitationnel de la Terre (valeur de manuel)	μ = 398,600.4418 km³/s²
Rayon équatorial de la Terre (valeur de manuel)	6378.137 km
Pesanteur normale	g = 9.80665 m/s²
Constante solaire (valeur de manuel)	1361 W/m²
Masse volumique de l’air au niveau de la mer (valeur de manuel)	1.225 kg/m³
Vitesse de la lumière	c = 299792458 m/s (exact)

Source : NIST: CODATA value, speed of light in vacuum

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Textes et ressources gratuits

Utilisez ces manuels, cours et pages de mission gratuits en parallèle du cours.

NASA Systems Engineering Handbook: Manuel gratuit de la NASA.
MIT OpenCourseWare 16.83X Space Systems Engineering (Spring 2002 – Spring 2003): Supports gratuits du projet de fin d’études du MIT.
NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: Rapport gratuit de la NASA sur les petits engins spatiaux.
NASA: CubeSat Launch Initiative: Opportunités de lancement de la NASA.
NASA Science: PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment): Mission CubeSat de la NASA.
NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership: Aviation durable à la NASA.

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Glossaire

Action: Tâche attribuée lors d’une revue.
Allocation: Part budgétée d’une ressource.
Équation de Breguet: Équation de distance franchissable d’un avion.
CDR: Revue critique de conception.
CPI: Indice de performance des coûts.
Diagramme de contraintes: Exigences tracées en fonction de la charge alaire.
Chemin critique: Plus longue chaîne de tâches dépendantes.
CubeSat: Petit satellite construit en unités de 10 cm.
Profondeur de décharge: Part de la capacité de la batterie utilisée.
Valeur acquise: Valeur budgétée du travail effectué.
Fraction d’éclipse: Part d’une orbite passée dans l’ombre.
Marge de sécurité: Admissible sur requis moins un.
Tableau morphologique: Options pour chaque fonction.
PDR: Revue de conception préliminaire.
Matrice de Pugh: Comparaison avec un concept de référence.
Exigence: Énoncé vérifiable d’un besoin.
SPI: Indice de performance des délais.
Matrice de vérification: Tableau exigence-preuve.
Charge alaire: Poids par surface alaire.
Organigramme des tâches: Projet découpé en livrables.

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Grille d’autoévaluation

Aucune note ni aucun crédit ne sont attribués. Utilisez cette grille pour juger honnêtement où vous en êtes dans chaque unité.

Niveau	À quoi cela ressemble
4 · Maîtrise	Livre une conception qui relie chaque nombre à une exigence, boucle tous les bilans avec marge, vérifie les exigences par des preuves et présente clairement compromis, risques et enseignements.
3 · Compétent	Boucle la plupart des bilans avec marge et présente une conception claire avec des lacunes mineures.
2 · En progression	A un concept et quelques bilans, mais une traçabilité des exigences faible ou des marges manquantes.
1 · Débutant	Présente une conception sans exigences, bilans ni vérification ; doit revoir les modules.

Pondération suggérée si vous voulez une note

Partie	Poids
Exercices	20%
Travaux pratiques	25%
Série d’entraînement de mi-parcours	25%
Série d’entraînement finale	30%

Visez le niveau 3 ou mieux dans chaque unité avant de passer au cours suivant.

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Projet de conception de fin d’études (avion ou CubeSat)

À propos de ce cours

Comment ce cours aide à sauver la planète

Avant de commencer

Prérequis

Comment étudier

Matériel de TP (pour les TP en laboratoire)

Programme suggéré sur 15 semaines

Votre progression

Mission, parties prenantes et exigences

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Génération et sélection de concepts

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Filière avion : dimensionnement en masse et autonomie

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Filière avion : charge alaire et puissance

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Filière CubeSat : dimensionnement et orbite

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Filière CubeSat : bilans de puissance et de liaison

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Vérifications structurelles et thermiques

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas