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C’est dans le domaine des vols habités qu’il fait son apprentissage du domaine spatial. Il consacre les 15 premières années de sa carrière au CNES à cette activité notamment sur les missions Cassiopée, Perseus, Andromède et STS 111. En parallèle, il met en place le CADMOS qui aujourd’hui encore est le centre responsable de la physiologie humaine spatiale pour toute l’Europe.
En 2008 il devient Sous-Directeur en charge des projets de Sciences, Observation de la
Terre, Télécommunication et Défense. En 2011, il est nommé Directeur Adjoint du Centre Spatial de Toulouse qui coordonne l’ensemble des techniques et des projets satellitaires du CNES. Début 2016, il crée la Direction de l’Innovation, des Applications et de la Science pour porter les intérêts, besoins et enjeux de tous les utilisateurs potentiels de missions et de données spatiales. Lionel Suchet est nommé Directeur Général Délégué du CNES le 28 août 2017 et depuis le 6 janvier 2025, Président Directeur Général du CNES par intérim.