vignette|La navette spatiale américaine est souvent perçue comme l'archétype du véhicule spatial.|300x300pxUn véhicule spatial (parfois astronef ou spationef), ou engin spatial, est un véhicule conçu pour fonctionner dans l'espace. Il peut prendre une variété de formes selon les fonctions qu'il remplit, les principales catégories sont le lanceur qui place une charge utile en orbite, le satellite qui peut répondre à une grande variété d'usages (télécommunications, navigation, observation, météorologie, reconnaissance), le véhicule habité qui permet à des astronautes de voyager entre la Terre et l'espace, la station spatiale qui leur permet d'y séjourner, le télescope spatial qui observe l'univers, ou encore la sonde spatiale qui explore le système solaire.
L'hostilité du milieu spatial détermine la conception des véhicules spatiaux : la difficulté de sortir du puits gravitationnel de la Terre exige l'utilisation de puissants moteurs-fusées ; l'absence de pression atmosphérique et le vide spatial impose l'usage de moteurs à réaction et parfois de pressurisation ; les écarts extrêmes de température requièrent le contrôle thermique ; le vent solaire, le rayonnement cosmique et les débris nécessitent un blindage. Enfin les véhicules spatiaux doivent faire preuve d'une autonomie complète : énergie, propulsion, attitude, mais aussi système de support de vie et ravitaillement dans le cas des véhicules habités.
Dans la pratique le terme véhicule spatial désigne le plus souvent un véhicule de transport de fret ou d'astronautes, les autres utilisant leur terme spécifique. Il se distingue aussi du terme « vaisseau spatial » plutôt associé à la science-fiction.
Types de véhicule spatial vignette|La fusée V2 allemande est le premier objet artificiel à atteindre l'espace en 1944, donc le premier véhicule spatial. vignette|Lancé en 1957, Spoutnik 1 est le premier satellite artificiel de la Terre.
Les véhicules spatiaux remplissent des missions très différentes et relèvent de catégories aux caractéristiques spécifiques.
Lanceur
Un lanceur est une fusée capable de placer une charge utile en orbite autour de la Terre ou de l'envoyer dans l'espace interplanétaire. La charge utile peut être par exemple un satellite artificiel, placé en orbite terrestre basse ou en orbite géostationnaire, ou une sonde spatiale qui quitte l’attraction terrestre pour explorer le système solaire. Pour y parvenir un lanceur doit pouvoir imprimer à sa charge utile une vitesse horizontale d'environ et l'élever au-dessus des couches denses de l'atmosphère terrestre (environ ).
Pour répondre aux différents besoins, des lanceurs de toute taille ont été construits depuis le lanceur SS-520 de capable de placer en orbite basse jusqu'à la fusée de pouvant placer sur la même orbite.
Lanceur réutilisable
Traditionnellement, les véhicules spatiaux ne sont utilisés qu'une seule fois. Les étages des lanceurs sont détruits en revenant au sol ou restent en orbite tandis que les vaisseaux avec équipage sont fortement dégradés au moment de leur rentrée atmosphérique et de leur atterrissage. Le coût de leur remise en état était supérieur à celui de la construction d'un nouveau véhicule.
À la fin des années 1960, la NASA tente d'abaisser les coûts de mise en orbite par l'utilisation d'engins spatiaux réutilisables. La navette spatiale américaine est initialement développée dans cette optique. Mais face au coût croissant d'un tel engin, l'agence spatiale américaine doit se contenter d'une réutilisation limitée à l'orbiteur et aux propulseurs d'appoint. La navette spatiale est lancée le . Six navettes spatiales ont été construites dont cinq ont volé dans l'espace. La navette a été employée seulement pour des essais d'approche et d'atterrissage, lancée du dos d'un Boeing 747 et atterrissant dans l' en Californie. La première navette spatiale à voler dans l'espace était Columbia, suivie par , , Atlantis, et . a été construite afin de remplacer quand elle a été perdue en . Columbia a explosé lors de son entrée dans l'atmosphère en 2003. La navette spatiale soviétique Bourane (« tempête de neige »), lancée par l'URSS le , est également un véhicule réutilisable. Sa ressemblance avec la navette spatiale américaine (due uniquement à des impératifs aérodynamiques), n'était qu'apparente, puisque ses propulseurs d’appoint utilisaient des ergols liquides, et que la navette elle-même n'était que la charge utile de la fusée Energia (les moteurs principaux ont été placés à la base de ce qui serait le réservoir externe de la navette américaine). Le manque de financement, aggravé par la dissolution de l'URSS, a empêché tout autre vol de Bourane.
À la suite du retrait de la navette spatiale américaine, l'agence spatiale américaine lance le développement d'une nouvelle génération de véhicules spatiaux avec équipage pour la desserte de la station spatiale internationale. Parmi les candidats, la navette et le vaisseau spatial habité sont des véhicules réutilisables.
Satellite d'application
Un satellite d'application est un satellite artificiel placé en orbite autour de la Terre et qui apporte une contribution pratique au fonctionnement de la société dans des domaines comme la météorologie, les télécommunications, la navigation, la gestion des ressources naturelles, la sécurité maritime, la prévention et le suivi des risques naturels. Depuis l'apparition des satellites à la fin des années 1950, les domaines d'application tendent à se multiplier et à se banaliser en influençant en profondeur la société et en donnant naissance à un nouveau secteur commercial. Le développement des satellites reste néanmoins concentré entre les mains de quelques puissances spatiales. Les satellites d'applications constituent le plus gros du volume des véhicules spatiaux.
Exemples de satellites d'application : Météosat, Spot 1.
Satellite scientifique/sonde spatiale
Un satellite scientifique est un véhicule spatial qui a pour objectif de remplir des objectifs scientifiques. Il regroupe des engins aux caractéristiques très différentes qui partagent toutefois une caractéristique commune à savoir l'emport d'instruments collectant des données à usage scientifiques : des satellites artificiels placés en orbite autour de la Terre ; les télescopes spatiaux qui généralement comportent une optique représentant une partie importante de leur masse. Exemples : Hubble, Gaia ; les sondes spatiales dont la mission est d'explorer le système solaire et qui ont eux-mêmes des caractéristiques très variées selon la nature de leur mission : atterrisseur, astromobile, orbiteur,... Exemples : Surveyor 1, Cassini Huygens, Mars Science Laboratory
Station spatiale
vignette|La Station spatiale internationale.
Une station spatiale est un véhicule spatial placé en orbite capable d'héberger un équipage pendant une période prolongée. Une de ses caractéristiques les plus importantes est la présence d'un ou plusieurs ports d'amarrage permettant le renouvellement des équipages et le ravitaillement par d'autres véhicules spatiaux. Il ne dispose généralement que de moyens de propulsion réduits et n'est pas capable de revenir sur Terre. Lorsqu'elle est de grande taille, la station spatiale résulte de l'assemblage de plusieurs modules lancés séparément. Toutes les stations spatiales construites jusqu'ici ont été placées en orbite terrestre basse.
Exemples de stations spatiales : Station spatiale internationale, Mir, Saliout, Skylab, Station spatiale chinoise.
Capsule spatiale
Une capsule spatiale est un véhicule spatial conçu pour permettre à un équipage de séjourner dans l'espace et qui permet son retour sur Terre. Il se distingue notamment par l'existence d'un habitacle pressurisé dans lequel l'équipage peut survivre. Cet habitacle comporte un système de support de vie. L'équipage dispose d'équipements lui permettant de contrôler et d'intervenir sur le fonctionnement du véhicule. Plusieurs dispositifs (bouclier thermique, parachutes, rétrofusées, système de flottaison...) permettent à la capsule spatiale d'effectuer cce retour sur Terre.
Exemples de capsule spatiale : Vostok, Mercury, Gemini, Voskhod, vaisseau Apollo, vaisseau Soyouz, Shenzhou, Crew Dragon, CST-100 Starliner.
Avion spatial vignette|La navette Columbia est un avion spatial.
Un avion spatial est un véhicule spatial pouvant revenir sur Terre en effectuant un atterrissage contrôlé à la manière d'un avion ou d'un planeur et pouvant être réutilisé pour une mission ultérieure. Ce concept s'oppose à celui des capsules spatiales, tels que Soyouz, Shenzhou ou Apollo effectuant une rentrée quasi balistique et atterrissant grâce à des parachutes et des rétrofusées.
Exemples d'avion spatial : la navette spatiale américaine ou la navette russe Bourane.
Petit véhicule orbital Space Machines Company (SMC), entreprise australienne a annoncé vouloir ouvrir dans le Tech Lab de l’Université de technologie de Sydney (UTS) une usine (Optimus Factory QF-01 ; ) de fabrication de jusqu’à 20 véhicules orbitaux par an. Ces petits véhicules (deux modèles Optimus et Optimus Viper, sont conçus pour l'inspection, la maintenance et le repositionnement de satellites déjà en orbite pour en prolonger la durée d'activité et pour réduire la quantité de débris spatiaux ; le premier (Optimus) a été lancé avec succès en partenariat avec l’Inde dans le cadre de la mission Space MAITRI..
Cargo spatial
Un cargo spatial est un type de véhicule spatial dépourvu d'équipage qui permet de transporter des marchandises à destination par exemple d'une station spatiale en orbite. Les vaisseaux cargo développés jusqu'à présent ont été utilisés pour transporter des consommables, des pièces détachées jusqu'à une station spatiale, rehausser l'orbite d'une station spatiale et ramener du fret sur Terre.
Exemples de vaisseau cargo : Progress, HTV, ATV, SpaceX Dragon, Cygnus, Tianzhou.
Sous-systèmes
Un véhicule spatial comporte divers sous-ensembles, dépendants du profil de la mission. Les sous-ensembles des véhicules spatiaux peuvent inclure : la commande et la détermination d'attitude (différemment appelées ADAC, CDA ou l'ACS), guidage, navigation, et commande (GNC ou GN&C), communications (COMS), traitement de commande et de données (CDH ou C&DH), puissance (EPS), commande thermique (CT), propulsion, structures, et charge utile. Les véhicules spatiaux peuvent être équipés pour subvenir aux besoins d'un équipage.
Propulsion
thumb|Un exemple de télescope spatial : Swift.
Le véhicule spatial peut ou non comprendre un sous-ensemble de propulsion, selon que le profil de la mission nécessite, ou non, un besoin de propulsion. Le véhicule spatial Swift est un exemple de vaisseau spatial qui n'a pas de sous-ensemble de propulsion. En général, les véhicules spatiaux en orbite basse (LEO, par exemple le satellite Terra : EOS AM-1), comprennent un sous-ensemble de propulsion pour des ajustements d'altitude (appelées , soit « Manœuvre de constitution de résistance ») et des manœuvres d'ajustement d'inclinaison. Un système de propulsion est nécessaire également pour le véhicule spatial qui exécute des manœuvres de gestion à l'élan. Les composants d'un sous-ensemble conventionnel de propulsion incluent le carburant, le tankage, les valves, les conduits, et les éjecteurs. Le contrôle thermique (voir ci-dessus) se connecte par interface au sous-ensemble de propulsion en surveillant la température de ces composants, et par préchauffage des réservoirs et des éjecteurs en vue d'une manœuvre du véhicule spatial.
Production d'énergie