Conception d’engins spatiaux

Sous-systèmes, puissance, thermique et exigences de mission : ingénierie système et bilans, orbites et environnement spatial, panneaux solaires et batteries, équilibre thermique, structures, delta-v, contrôle d’attitude, liaisons de communication et fiabilité, avec six TP. Gratuit, à votre rythme, et lié à Landsat 9, Europa Clipper et aux technologies de petits engins spatiaux de la NASA.

NASA/Kim Shiflett (KSC-20210927-PH-KLS04_0013, Sept. 27, 2021)NASA/Ben Smegelsky (KSC-20240124-PH-JBS01_0071)NASA/Liz Wilk (KSC-20221109-PH-LNW01_0001)NASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)

Cours › AERO 430

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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 contenu suit un cours semestriel de dernière année en conception d’engins spatiaux pour ingénieurs aérospatiaux. Il reprend les thèmes et le niveau de MIT 16.851 Satellite Engineering (gratuit sur MIT OpenCourseWare), et s’appuie sur le Systems Engineering Handbook gratuit de la NASA et le rapport Small Spacecraft Technology State of the Art, que nous citons quand ils aident. Aucun de ces auteurs, établissements ou organismes ne cautionne cette page.

Ce que nous ajoutons : chaque module est relié à un travail réel avec une source publique citée (les missions Landsat 9, Europa Clipper et PACE de la NASA et l’état des lieux de la NASA sur les technologies de petits engins spatiaux), chaque nombre de la page est recalculé par un script de vérification avant la mise en ligne, et chaque TP dispose d’une simulation gratuite ou d’un tableur.

Suivez-le dans l’ordre. Chaque unité comporte des objectifs, des notions clés, des équations, des exemples pas à pas, des exercices corrigés en détail, des erreurs fréquentes, des cartes mémoire et un quiz. Votre progression est enregistrée uniquement dans ce navigateur.

Comment ce cours aide à sauver la planète

Les satellites d’observation de la Terre sont la conception d’engins spatiaux rendue utile : puissance, thermique, pointage et communications doivent tous fonctionner pendant des années pour que les scientifiques suivent les forêts, l’eau, les cultures et le climat.

Une bonne conception signifie aussi une longue durée de vie et moins de déchets en orbite. 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

Mécanique orbitale : orbites, périodes et Δv.
Thermodynamique : bases du transfert de chaleur et du rayonnement.
Circuits : puissance, tension et courant.
Dynamique du vol et commande et Structures aérospatiales : contrôle d’attitude, rigidité et charges.

Comment étudier

Partez toujours des exigences, et tenez un bilan (masse, puissance, Δv, liaison) pour chaque sous-système.
Prévoyez des marges et indiquez où elles se trouvent.
Suivez les unités : watts contre wattheures, kelvins pour le rayonnement, décibels pour les liaisons.
Comparez chaque réponse à l’ordre de grandeur d’une mission réelle.
Esquissez l’engin spatial et son orbite avant tout calcul.
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 ordinateur ou une tablette pour les simulations PhET gratuites Blackbody Spectrum et Circuit Construction Kit.
Un tableur (n’importe quel tableur gratuit), ou Python.
Les pages des missions de la NASA et le rapport Small Spacecraft Technology dans un navigateur web.
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	Exigences de mission et ingénierie système	Exigences et bilans ; TP A	NASA SE Handbook
2	Orbites et environnement spatial	Orbites et environnement ; TP B	MIT 16.851
3	Production d’énergie : panneaux solaires	Panneaux solaires ; TP C	NASA SST SOA
4	Stockage d’énergie et bilan de puissance	Batteries et bilan de puissance ; TP D	NASA SST SOA
5	Contrôle thermique	Contrôle thermique ; TP E	MIT 16.851
6	Structures, mécanismes et charges au lancement	Structures et charges au lancement	MIT 16.851
7	Propulsion et bilan de delta-v	Bilans de Δv ; entraînement pour le partiel	MIT 16.851
8	Sous-système de détermination et de contrôle d’attitude	Exigences du SCAO	MIT 16.851
9	Sous-système de détermination et de contrôle d’attitude	Capteurs, actionneurs et moment cinétique	NASA SST SOA
10	Communications et gestion des données	Bilans de liaison	MIT 16.851
11	Communications et gestion des données	Gestion des données ; TP F	NASA Landsat 9
12	Fiabilité, essais et fin de vie	Fiabilité et redondance	NASA SE Handbook
13	Fiabilité, essais et fin de vie	Essais et étalonnage	NASA Landsat 9
14	Fiabilité, essais et fin de vie	Exploitation et désorbitation	NASA SE Handbook
15	Fiabilité, essais et fin de vie	Révision ; entraînement à l’examen final	MIT 16.851

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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 (Spacecraft design lab)

Le labo est la partie pratique du cours. Ici, il est gratuit et sert uniquement à s’entraîner, sans crédits.

Chaque TP se fait dans une simulation gratuite ou un tableur ; il n’y a donc aucun danger physique. Ne construisez, ne chargez ni ne modifiez de packs de batteries pour ce cours. Faites des pauses d’écran, tenez-vous bien assis et gardez les câbles hors des passages.

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

TP A : Bilans de masse et de puissance avec marge

Semaine 1

Objectif : Établissez dans un tableur un bilan de masse et de puissance pour un petit satellite d’observation de la Terre et appliquez des marges.

m_{alloc}=m_{est}(1+M)

Allocation avec marge

Mode opératoire

Listez les sous-systèmes : charge utile, structure, énergie, thermique, SCAO, propulsion, communications, C&DH.
Saisissez des estimations de masse d’exemple totalisant 800 kg et des estimations de puissance totalisant 500 W.
Appliquez une marge de 20% à chaque total.
Refaites le compromis pondéré à deux options du module 1 et changez les poids.

Tableau de données

Bilan	Estimation	Avec 20% de marge
Masse sèche	800 kg	960 kg
Puissance	500 W	600 W

Valeurs d’exemple.

Exemple de calcul

800 × 1.2 = 960 kg.
500 × 1.2 = 600 W.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Systems Engineering Handbook

Lien avec la planète : NASA : Landsat 9 acquiert 740 scènes par jour pour une exigence de 400 scènes. NASA Science: Landsat 9

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP B : Calculateur de période orbitale et d’éclipse

Semaine 2

Objectif : Calculez la période et l’éclipse dans le pire cas pour plusieurs altitudes d’orbite basse.

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

Période orbitale

Mode opératoire

Saisissez des altitudes de 400, 705 et 1000 km.
Calculez a, T et les orbites par jour.
Calculez la fraction d’éclipse et sa durée en minutes.
Comparez 705 km aux valeurs de la NASA pour Landsat 9.

Tableau de données

Altitude (km)	T (min)	Éclipse (min)
400	92.6	36.1
705	98.9	35.3
1000	105.1	34.9

Valeurs calculées pour le pire cas (Soleil dans le plan orbital).

Exemple de calcul

T(400) = 2π√(6778.1³/398600.4) = 92.6 min.
Éclipse(705) = 0.357 × 98.9 = 35.3 min.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Science: Landsat 9

Lien avec la planète : La NASA indique pour Landsat 9 705 km et une période de 99 minutes. NASA Science: Landsat 9

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP C : Cellules solaires en série et en parallèle

Semaine 3

Objectif : Câblez des sources comme des piles dans PhET Circuit Construction Kit pour voir les chaînes en série et en parallèle, puis dimensionnez des panneaux à travers le système solaire.

A=\frac{P}{S\eta f_d}

Surface du panneau

Mode opératoire

Dans PhET Circuit Construction Kit, branchez des sources en série et en parallèle et notez tension et courant.
Dans un tableur, calculez la surface de panneau pour 500 W avec η = 0.30 et f_d = 0.85.
Recommencez à 1, 1.524 et 5.2 UA.
Expliquez pourquoi les missions vers les planètes extérieures ont besoin d’immenses panneaux.

Tableau de données

Distance (UA)	Surface pour 500 W (m²)
1	1.44
1.524	3.35
5.2	39.0

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

500/(1361 × 0.3 × 0.85) = 1.44 m².
1.44 × 5.2² = 39.0 m².

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel navigateur et tableur conviennent.

PhET: Circuit Construction Kit: DC · NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: 3.0 Power (May 2026)

Lien avec la planète : NASA : les panneaux déployés d’Europa Clipper mesurent plus de 30 mètres d’envergure. NASA Science: Europa Clipper

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP D : Dimensionnement de batterie pour l’éclipse

Semaine 4

Objectif : Dimensionnez des batteries pour différentes charges pendant une éclipse de 35.3 minutes.

E=\frac{P_et_e}{DoD}

Énergie de batterie

Mode opératoire

Utilisez l’éclipse à 705 km du TP B.
Saisissez des charges de 300, 500 et 800 W.
Calculez l’énergie de batterie à 30% de DoD et la masse à 150 Wh/kg.
Recommencez avec 20% de DoD et discutez de la durée de vie en cycles.

Tableau de données

Charge (W)	Batterie (Wh)	Masse (kg)
300	588	3.92
500	980	6.53
800	1568	10.45

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

300 × 0.588 h/0.3 = 588 Wh.
1568/150 = 10.45 kg.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: 3.0 Power (May 2026)

Lien avec la planète : La NASA recense des cellules 18650 à 260 Wh/kg ayant volé sur sa mission PACE. NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: 3.0 Power (May 2026)

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TP E : Bilan radiatif et dimensionnement de radiateur

Semaine 5

Objectif : Explorez le rayonnement thermique dans PhET Blackbody Spectrum, puis calculez des températures d’équilibre et des surfaces de radiateur.

T=\left(\frac{\alpha S}{4\varepsilon\sigma}\right)^{1/4}

Équilibre d’une sphère

Mode opératoire

Dans PhET Blackbody Spectrum, comparez les spectres à 250, 290 et 6000 K.
Calculez les températures d’une sphère pour α/ε = 0.5, 1 et 2.
Calculez la surface de radiateur pour 500 W à 250, 290 et 320 K avec ε = 0.85.
Choisissez une température de radiateur et expliquez le compromis.

Tableau de données

Cas	Résultat
α/ε = 0.5	234.0 K
α/ε = 1	278.3 K
α/ε = 2	331.0 K
Radiateur à 250 K	2.66 m²
Radiateur à 320 K	0.99 m²

Valeurs calculées.

Exemple de calcul

T = 278.3 × 0.5^¼ = 234.0 K.
A = 500/(0.85σ × 320⁴) = 0.99 m².

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel navigateur et tableur conviennent.

PhET: Blackbody Spectrum · NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: Thermal Control

Lien avec la planète : NASA : le TIRS de Landsat 9 utilise un radiateur de cryoréfrigérateur et un corps noir embarqué. NASA Science: Landsat 9

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP F : Bilan de liaison descendante

Semaine 11

Objectif : Établissez un bilan de liaison en décibels et voyez comment la distance et la taille d’antenne modifient la marge.

L=20\log_{10}\frac{4\pi d}{\lambda}

Affaiblissement en espace libre

Mode opératoire

Utilisez f = 8.2 GHz et c = 3 × 10⁸ m/s.
Calculez l’affaiblissement à 1000, 2000 et 4000 km.
Ajoutez la puissance d’émission, les gains des deux antennes et les autres pertes.
Trouvez la taille de parabole qui rétablit la marge à 4000 km.

Tableau de données

Distance (km)	Affaiblissement (dB)
1000	170.7
2000	176.7
4000	182.8

Valeurs calculées.

Exemple de calcul

λ = 0.03659 m.
20 log₁₀(4π × 10⁶/0.03659) = 170.7 dB.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

MIT OpenCourseWare 16.851 Satellite Engineering (Fall 2003)

Lien avec la planète : NASA : Europa Clipper emporte une antenne à grand gain de 3 mètres. NASA Science: Europa Clipper

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

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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)

Allouez une estimation de 500 kg avec 30% de marge.
Afficher la solution complète
1. 500 × 1.3.
Réponse : 650 kg.
Trouvez la période d’une orbite circulaire à 550 km.
Afficher la solution complète
1. a = 6928.1 km.
2. T = 2π√(a³/μ).
Réponse : 95.6 min.
Surface de panneau pour 1 kW à 1 UA, η = 0.30, f_d = 0.85 ?
Afficher la solution complète
1. 1000/(1361 × 0.3 × 0.85).
Réponse : 2.88 m².
Batterie pour 400 W pendant 35 min à 25% de DoD ?
Afficher la solution complète
1. 400 × 35/60/0.25.
Réponse : 933 Wh.
Radiateur pour 300 W à 300 K, ε = 0.9 ?
Afficher la solution complète
1. 300/(0.9σ × 300⁴).
Réponse : 0.73 m².

Série d’entraînement finale (modules 1–10)

Fréquence propre pour k = 4 × 10⁵ N/m, m = 40 kg ?
Afficher la solution complète
1. (1/2π)√(10⁴).
Réponse : 15.9 Hz.
Ergols pour 200 m/s sur 800 kg avec un Isp de 230 s ?
Afficher la solution complète
1. 800(1 − e^(−200/2255.5)).
Réponse : 67.9 kg.
Erreur au sol pour 0.005° depuis 600 km ?
Afficher la solution complète
1. 600,000 × 8.727 × 10⁻⁵.
Réponse : 52.4 m.
Affaiblissement à 1500 km, 8.2 GHz ?
Afficher la solution complète
1. 20 log₁₀(4π × 1.5 × 10⁶/0.03659).
Réponse : 174.2 dB.
Fiabilité pour λ = 2 × 10⁻⁶ /h sur 7 ans ?
Afficher la solution complète
1. e^(−0.1226).
Réponse : 0.885.
Paire en parallèle d’unités à 0.885 ?
Afficher la solution complète
1. 1 − 0.115².
Réponse : 0.987.

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Fiche de formules

m_{alloc}=m_{est}(1+M),\ S=\sum w_is_i

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

P=S\eta A\cos\theta,\ S=1361/r^2

E=P_et_e/DoD,\ m_b=E/e_{sp}

Q=\varepsilon\sigma AT^4,\ T=(\alpha S/4\varepsilon\sigma)^{1/4}

F=nmg_0,\ f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}

m_p=m_0(1-e^{-\Delta v/v_e})

\theta=x/h,\ e=h\theta,\ H=\tau t

L=20\log_{10}(4\pi d/\lambda),\ G=\eta(\pi D/\lambda)^2

R=e^{-\lambda t},\ R_p=1-(1-R)^2

Constantes

Constante	Valeur
μ de la Terre	398,600.4418 km³/s²
Rayon terrestre (équatorial)	6378.137 km
Flux solaire à 1 UA (valeur de manuel)	1361 W/m²
Constante de Stefan–Boltzmann	σ = 5.670374419 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)
Vitesse de la lumière	299792458 m/s (3 × 10⁸ utilisé dans les exemples)
Pesanteur normale	g₀ = 9.80665 m/s²

Source : NIST: CODATA value, Stefan–Boltzmann constant

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Textes et simulations gratuits

Utilisez ces cours gratuits, références de la NASA et simulations en parallèle du cours.

MIT OpenCourseWare 16.851 Satellite Engineering (Fall 2003): Cours gratuits du MIT sur l’ingénierie des satellites.
NASA Systems Engineering Handbook: Manuel gratuit de la NASA.
NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: État des lieux technologique gratuit de la NASA.
NASA Small Spacecraft Technology State of the Art: 3.0 Power (May 2026): Chapitre gratuit de la NASA sur l’énergie.
PhET: Blackbody Spectrum: Le rayonnement thermique en interactif.
PhET: Circuit Construction Kit: DC: Les circuits en interactif.

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Glossaire

ADCS: Sous-système de détermination et de contrôle d’attitude.
Gain d’antenne: Concentration du faisceau par rapport à l’isotrope.
Bus: Plateforme d’engin spatial portant la charge utile.
C&DH: Commande et gestion des données.
Profondeur de décharge: Fraction de la capacité de batterie utilisée.
Éclipse: Temps passé dans l’ombre d’une planète.
Émissivité: Capacité à rayonner de la chaleur.
Fin de vie: Performance après dégradation.
Assistance gravitationnelle: Survol planétaire qui modifie la vitesse.
Héritage: Conception éprouvée en vol.
Bilan de liaison: Somme des gains et des pertes d’une liaison radio.
Marge: Réserve au-dessus du besoin.
Isolation multicouche: Couverture thermique qui bloque le rayonnement.
Affaiblissement: Perte par étalement du signal.
Charge utile: Instruments qui justifient la mission.
Redondance: Matériel de secours.
Exigence: Besoin mesurable et vérifiable.
Flux solaire: Puissance solaire par unité de surface.
Puissance massique: Puissance par unité de masse.
Orbite héliosynchrone: Orbite croisant à la même heure locale chaque jour.

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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	Part des exigences, tient des bilans cohérents avec marges, vérifie unités et ordres de grandeur, et explique en langage clair les compromis entre sous-systèmes.
3 · Compétent	Résout les exercices avec des erreurs occasionnelles d’unités ou de marges.
2 · En progression	Suit les exemples résolus mais confond puissance et énergie, ou dB et valeurs linéaires.
1 · Débutant	Applique les formules sans exigence ni bilan ; doit revoir le module.

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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Conception d’engins spatiaux

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

Exigences de mission et ingénierie système

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

Orbites et environnement spatial

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

Production d’énergie : panneaux solaires

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

Stockage d’énergie et bilan de 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

Contrôle thermique

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

Structures, mécanismes et charges au lancement

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

Propulsion et bilan de delta-v

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas