Le lancement deMariner 1 par un lanceurAtlas-Agena B en juillet 1962.
LeprogrammeMariner est la première série de missions spatialesaméricaines de laNASA dont l'objectif était d'étudier lesplanètes duSystème solaire. Dix sondes spatiales, baptiséesMariner 1 àMariner 10, sont lancées entre 1962 et 1973 vers les planètes les plus proches de la Terre :Mars,Vénus etMercure.
Sur les dix missions lancées, sept sont des succès ce qui représente pour l'époque un résultat remarquable. Les trois autres sont perdues dans des incidents techniques peu après le décollage. Les sondesMariner partagent une architecture commune basée sur une plateforme de forme hexagonale mais les équipements scientifiques installés varient beaucoup avec une masse comprise entre 202 et 559 kg. Les coûts de recherche, de développement, de lancement et de soutien de la série devéhicules spatiauxMariner (Mariner 1 à 10) s'élève à554 millions dedollars américains.
Dès le début de l'ère spatiale à la fin des années 1950, l'exploration des planètesMars etVénus, les plus proches de la Terre dans le système solaire interne, est envisagée. La communauté scientifique, qui se repose sur les observations effectuées par des observatoires terrestres, dispose de peu d'informations sur ces corps célestes. La présence d'une vie, éventuellement d'une vie intelligente, n'est pas exclue même si certaines collectées fournissent des indices peu favorables à cette hypothèse. Aussi l'agence spatiale civile américaine, laNASA, qui vient tout juste d'être créée, envisage de lancer des missions robotiques vers Mars et Vénus vers 1967 et éventuellement des missions avec équipage vers ces destinations vers 1980. LeJet Propulsion Laboratory (JPL), établissement géré conjointement par la NASA et leCalifornia Institute of Technology, a du mal à trouver sa place au sein des établissements de la NASA. D'une part sa principale expertise porte sur les missiles balistiques militaires et d'autre part il continue à être une entité gérée par une université alors que les autres établissements de la NASA sont des organismes fédéraux. La NASA et le JPL, sous l'impulsion de son directeurWilliam H. Pickering, tombent d'accord sur la mission principale du laboratoire, qui doit être de développer des missions robotiques d'exploration du système solaire, mais ils ne s’accordent pas sur la stratégie et le rôle précis du laboratoire. Les dirigeants du JPL souhaitent lancer immédiatement des missions vers Mars et Vénus alors que l'état-major de la NASA veut d'abord étudier la Lune avant de s'aventurer plus loin. Par ailleurs le JPL souhaite conserver la maîtrise de la construction des sondes spatiales, alors que la NASA préférerait que le JPL se limite à la gestion des projets, dont la construction serait sous-traitée aux industriels. La sélection des instruments scientifiques embarqués est également une source de conflit car le JPL souhaite conserver cette tâche alors que l'État-Major de l'agence spatiale estime qu'il est préférable que ce choix soit effectué sous sa supervision[1],[2].
Les premiers engins spatiaux développés par le JPL
Le JPL développe quatre petits satellites scientifiques duprogramme Explorer dont deux sont perdus à la suite d'une défaillance dulanceur. L'établissement développe ensuite deux missions à destination de laLune : le lancement dePioneer 3 est un échec ;Pioneer 4 lancé en 1959 parvient à survoler la Lune mais à une distance plus importante que prévu. La mission est un demi-succès. Se conformant au souhait de la direction de la NASA, le JPL développe ensuite la série dessondes spatiales Ranger destinées à s'écraser sur la Lune tout en collectant des données sur celle-ci, ainsi que la famille dessondesSurveyor qui doivent se poser en douceur sur la Lune pour préparer l'atterrissage des futuresmissions Apollo. La construction des sondesSurveyor est confiée à la société aérospatialeHughes Aircraft.
Développement des premières sondes spatialesMariner
le JPL commence à concevoir les sondes spatiales du programmeMariner, des engins beaucoup plus complexes que les précédents avec une masse de plus de400 kilogrammes. Pour les placer en orbite, l'établissement commence à développer un étage supérieur delanceur, baptisé Vega. Mais la NASA, quelques mois après avoir donné son feu vert à ces travaux, décide en 1959 de revenir sur sa décision car elle a décidé d'utiliser les deux étages supérieurs que l'Armée de l'Air développe de son côté : le premier est l'étageAgena qui vient tout juste d'effectuer son premier vol, le second est leCentaur beaucoup plus puissant, dont le premier vol est prévu en 1962. Les ingénieurs du JPL décident de développer une première sonde spatialeMariner A qui doit survoler la planèteVénus en 1962 et une sonde spatiale plus complexe,Mariner B, qui doit effectuer le premier survol de Mars en 1964. Ces sondes utilisent pour la première fois depuis le début de l'ère spatiale une combinaison d'ergols très performante,hydrogène liquide etoxygène liquide qui doit permettre de lancer les sondes spatialesMariner. Mais la mise au point du Centaur s'avère difficile et au cours de l'été 1961 l'Armée de l'Air annonce que la date de son premier vol est repoussée. Pour la première missionMariner, le JPL est contraint d'utiliser l'étage Agena.
En une semaine la conception deMariner A est complètement revue pour pouvoir réduire sa masse des deux tiers. Les ingénieurs empruntent des composants aux sondesRanger en cours de fabrication. L'équipe projet dispose de moins d'un an pour mettre au point la sonde spatiale. Celle-ci doit êtrestabilisée 3 axes — une première pour une sonde spatiale — pour qu'une correction de trajectoire puisse être effectuée au cours de son transit vers Vénus et qu'elle puisse survoler la planète suffisamment près pour collecter des données scientifiques significatives. Les responsables du projet décident de construire deux sondes spatiales jumelles (Mariner 1 etMariner 2) ainsi qu'un exemplaire de rechange. À l'époque le JPL emploie environ 2 200 personnes. Ces personnes travaillent souvent en parallèle sur plusieurs projets. Environ250 employés du JPL travaillent sur le projetMariner ainsi que34 sous-traitants et près de 1 000 fournisseurs de pièces détachées. Le coût de développement deMariner 1 etMariner 2 s'élève à 47 millions $, une somme importante pour l'époque mais qui sera largement dépassée par les projets suivants[1].
L'état des connaissances sur les planètes du système solaire interne en 1962
Toutes les sondesMariner sont basées sur un châssisoctogonal enmagnésium, contenant l'électronique de bord, sur lequel est fixé l'équipement tel que les systèmes de communication, les systèmes d'imagerie (appareils photos, caméras de télévision), la propulsion et les sources d'énergies. Le châssis est lui-même conçu pour recevoir huit modulesstandardisés, un par face, permettant d'héberger les appareils scientifiques et les accumulateurs.
L'énergie est fournie par quatrepanneaux solaires, sauf pourMariner 1,Mariner 2 etMariner 10 qui n'en ont que deux. De plus, à l'exception des sondesMariner 2 etMariner 5, toutes sont équipées d'une caméra de télévision.
Les sondesMariner sont conçues à l'origine pour être lancées par le lanceurAtlas-Centaur. Les retards accumulés dans la conception de ce dernier imposent l'utilisation du lanceurAtlas-Agena B, moins puissante, pour les cinq premières missions. Les sondesMariner 1 etMariner 2 doivent même être amputées d'une partie de ses équipements scientifiques déjà montés pour réduire son poids[4].
Mariner 1 etMariner 2 diffèrent des autres sondesMariner en plusieurs points. Elles sont en fait dérivées des sondesRanger 1 etRanger 2. Leprogramme Ranger et le programmeMariner sont très liés dans leurs architectures, les premières sondes du programme Ranger ayant servi debanc d'essai pour le conceptMariner. La réussite de la missionMariner 2 permet de passer à l'étape suivante.
Techniquement, le châssis de la sonde est plus simple. C'est unhexagone, réduisant de fait le nombre de modules à six. De plus, il y a une structure sous le châssis, supportant l'antenne haut gain, celle-ci se repliant sous la sonde pour le lancement, et les panneaux solaires. Les réservoirs de carburant sont aussi montés à l'extérieur du châssis.
Les premières sondes à reprendre la conception desMariner sontVoyager 1 etVoyager 2. Bien que rattachées initialement au programmeMariner (il s'agit initialement des sondesMariner 11 et 12), elles sont considérablement modifiées pour s'adapter aux contraintes de l'exploration des planètesSaturne etJupiter (éloignement, faiblesse de l'éclairement solaire, vitesse nécessaire) et donnèrent naissance à un programme à part entière.
Une seconde génération de sondes de typeMariner, appeléeMariner Mark II, est conçue, bien que le projet est annulé pour raisons budgétaires[7]. Néanmoins, cette seconde génération a malgré tout servi comme base pour la sondeCassini-Huygens, ou comme inspiration pour la sondeNew Horizons.
La première fusée américaine à disposer d'une capacité suffisante pour lancer des sondes interplanétaires est l'Atlas-Agena. Celle-ci est utilisée pour la première fois en 1962 pour lancer versVénus les deux premières sondes spatialesMariner. Vénus constitue en effet une cible plus facile que Mars qui est à la fois plus éloignée du Soleil et de la Terre. Une sonde martienne nécessite une meilleure isolation thermique, une redondance plus poussée (compte tenu de la durée du transit) et un équipement radio plus puissant[17]. Le lanceur Atlas-Agena ne permet de lancer que des sondes spatiales légères. Les deux premières sondes spatiales, qui ont une masse d'environ 200 kilogrammes, emportent néanmoins une suite instrumentale comprenant des détecteurs de rayonnement micro-ondes et infrarouge, de poussière cosmique, de plasma solaire, et de radiations à haute énergie ainsi qu'un magnétomètre.
La première sonde spatiale,Mariner 1, est victime d'un dysfonctionnement de son lanceur et est détruite5 minutes après son lancement. Unelégende urbaine veut qu'un simple point mis à la place d'une virgule dans un programmeFortran utilisé par le système de pilotage du lanceur serait à l'origine de sa défaillance. En fait, ce bogue concerne leprogramme Mercury[18], et est corrigé avant la moindre conséquence sérieuse. C'est pourtant bien un simple caractère, qui a eu raison de la sonde[19]. Dans une spécification manuscrite, un tiret surmontait une variable pour signifier que la valeur associée devait être lissée dans le temps. Cette notation est ignorée par le programmeur qui emploie la valeur brute. Cela n'aurait pas prêté à conséquence si le capteur d'altitude du lanceur n'était pas tombé en panne, et si le programme erroné au sol n'avait pas pris le relais, menant le lanceur sur une trajectoire instable, puis incontrôlable.
Mariner 2, doublure deMariner 1, est lancée avec succès le. Au terme de3 mois et demi de voyage, elle survole la planète Vénus comme prévu, devenant ainsi la première sonde à survoler une planète autre que la Terre, et permet de faire les toutes premières observations de Vénus.
La sondeMariner 3.Une des photos prises parMariner 4 montre une surface couverte de cratères.
Les missions suivantes,Mariner 3 etMariner 4 ont pour objectif Mars. Ces premières missions doivent être un simple survol : l'insertion en orbite autour de Mars est préférable sur le plan scientifique car elle permet un temps d'observation sans commune mesure avec celui d'un survol mais ce type de mission est hors de portée des connaissances techniques de l'époque et des capacités de la fusée utilisée car elle nécessite unerétrofusée de forte masse. La petite sonde (260 kg) est équipée d'une caméra qui doit retransmettre les premières images de la planète mais également d'unmagnétomètre pour en mesurer lechamp magnétique ainsi que des instruments destinés à analyser levent solaire, les particules énergétiques et lesmicrométéorites à proximité de Mars et dans l'espace interplanétaire.Mariner 3 etMariner 4 sont programmées pour la prochainefenêtre de lancement qui s'ouvre en 1964.Mariner 3 est lancée le mais lacoiffe ne s'éjecte pas correctement et la sonde est perdue[17].
Lors du lancement deMariner 3, un défaut de conception fait que la coiffe surmontant la sonde ne se sépare pas comme prévu. Les panneaux solaires ne pouvant se déployer, ni recevoir de lumière, la sonde tourne sur ses accumulateurs jusqu'à épuisement. Elle est en orbite héliocentrique, toujours surmontée de sa coiffe. Ce problème est rapidement identifié et corrigé et le, le lancement deMariner 4 est un succès. La sonde spatiale entame son voyage de huit mois vers Mars. Le,Mariner 4 survole Mars et fournit les premières images détaillées de sa surface. Les22 photos d'une qualité moyenne qui sont prises, couvrent environ 1 % de la superficie de Mars : elles révèlent un paysage de type lunaire couvert decratères d'impact qui d'après leur aspect remontent à une période comprise entre deux et quatre milliards d'années. En apparence la planète ne connaît et n'a connu aucun phénomène d'érosion qui trahisse la présence d'eau. La partie photographiée ne présente par ailleurs aucun relief, montagne ou vallée. Cette vision déprimante met fin aux spéculations d'une Mars planète jumelle de la Terre popularisée par des auteurs de fiction commeEdgar Rice Burroughs etH.G. Wells. La pression atmosphérique mesurée est tellement faible (4,1 à7,0millibars, soit 0,5 % de celle de la Terre) que les scientifiques émettent l'hypothèse que les calottes polaires ne sont pas couvertes de glace d'eau mais dedioxyde de carbone. La température de surface mesurée,−100°C, est également beaucoup plus basse que prévu. Enfin, aucunchamp magnétique n'est détecté alors que l'existence de celui-ci est une condition indispensable pour permettre à des êtres vivants de survivre en surface[Note 1],[20]. Après le survol, qui dure 25 minutes, la sonde continue sa route, tout en transmettant des informations scientifiques sur son environnement. Elle termine sa mission le, après avoir subi un bombardement de micrométéorites qui la met hors service.
types de capteurs :photomètre à ultraviolets, poussières cosmiques, plasma solaire, radiations, champs magnétiques, occultation radio et mécanique céleste.
statut de la mission :succès.
état de la sonde : en orbite héliocentrique.
Mariner 5 est à l'origine une doublure pourMariner 4. Mais après le succès éclatant de cette dernière, il est décidé de profiter de cette sonde supplémentaire pour étudier Vénus. Après quelques modifications pour l'adapter à ce nouvel environnement, elle est lancée avec succès le.
Elle survole la planète Vénus comme prévu, et permet de récolter des informations bien plus précises queMariner 2. L'occultation radio permet aussi de mieux comprendre les relevés de température et de pression faits peu de temps avant parVenera 4, ce qui permet de confirmer définitivement l'environnement extrême de Vénus.
À la fin de la décennie 1960, la NASA dispose enfin d'unlanceur plus puissant, l'AtlasCentaur. Celui-ci est utilisé en février et en pour lancerMariner 6 etMariner 7. Les sondes spatiales sont beaucoup plus lourdes avec une masse de 400 kg ce qui leur permet d'emporter des caméras plus sophistiquées. Elles emportent également unspectromètre infrarouge, unradiomètre, un spectromètre ultraviolet et doivent effectuer des mesures paroccultation radio. Il n'est toujours pas question de se mettre en orbite autour de Mars mais de survoler celle-ci à faible distance. Les deux sondes spatiales atteignent leur destination.Mariner 7 subit une avarie environ une semaine avant le survol de Mars. Un de ses accumulateurs explose, déviant la sonde de sa trajectoire à cause d'une fuite de gaz, et coupant son antenne haut gain. Heureusement, cette dernière peut être remise en fonctionnement, et la trajectoire corrigée.
La sondeMariner 9.Les canyons de Noctis Labyrinthus photographiés parMariner 9.
Pour lafenêtre de lancement vers Mars suivante, en, la NASA décide, pour des raisons budgétaires, de ne pas tenter un atterrissage mais de lancer deux orbiteurs chargés d'étudier de manière systématique la surface de Mars en particulier les calottes polaires et certaines formations détectées sur les photos prises en 1969 qui s'écartent du modèle lunaire. Ces engins sont nettement plus lourds (près d'une tonne) car ils emportent unerétrofusée pour la mise en orbite autour de Mars ; ils sont désormais lancés par desfuséesAtlas Centaur. La première,Mariner 8, est lancée le mais elle est victime d'une défaillance du second étage du lanceur et retombe dans l'océan Atlantique. Ce qui réjouit les Russes car deux jours plus tard, le 10, ils lancent en secret un engin baptiséCosmos 419, dans le but de concurrencer les Américains. Mais eux aussi connaissent l'échec car leur fusée ne parvient pas à quitter l'orbite terrestre. C'est finalementMariner 9, lancée trois semaines plus tard, le, qui va devenir le le premiersatellite artificiel d'une autre planète que la Terre.
mission : survol de la planète Vénus et de la planète Mercure.
types de capteurs : deux caméras moyen angle avec enregistreur numérique, radiomètre infrarouge, plasma solaire, particules chargées, champs magnétiques, spectromètre à ultraviolets, occultation radio et mécanique céleste.
statut de la mission :succès.
état de la sonde : en orbite héliocentrique.
Mariner 10 est probablement la mission la plus riche du programmeMariner. Elle est lancée avec succès le.
Conçue à l'origine pour étudier uniquement la planète Vénus, les ingénieurs découvrent que des ajustements minimes de sa trajectoire permettent d'aller jusqu'à la planète Mercure, en utilisant la gravité de Vénus comme fronde. La manœuvre est exécutée, etMariner 10 devient la première sonde à avoir utilisé l'assistance gravitationnelle d'une planète pour modifier sa trajectoire. Le concept de lavoile solaire est aussi utilisé pour la première fois, pour compenser une panne matérielle.
Après le survol de Vénus, la sonde se dirige vers Mercure. Elle réussit à réaliser trois passages, accumulant de nombreuses photos d'une qualité sans précédent, et permettant de comprendre certains mystères de Mercure.Mariner 10 devient ainsi la première sonde à observer Mercure.
LaNASA planifie un sous-programme ambitieux au programmeMariner. Si ce dernier a comme but l'étude de Mars et Vénus, puis de Mercure, ce sous-programme doit étudier la planète Jupiter et la planète Saturne. Ce sous-programme spécifique est nommé temporairementMariner Jupiter-Saturn 1977 program.
Du fait de la position éloignée des deuxgéantes gazeuses, et leur nature, de nombreuses questions techniques doivent trouver une réponse :
comment obtenir une précision suffisante de la trajectoire ?
comment utiliser l'assistance gravitationnelle alors que de nombreuses lunes sont présentes autour des planètes ?
des panneaux solaires seront-ils suffisants pour assurer l'énergie des sondes ?
Toutes ces questions trouvent une réponse, mais rapidement les adaptations et modifications nécessaires deviennent trop importantes, s'éloignant de plus en plus de la base du programmeMariner. La NASA sépare complètement les deux programmes. Enfin, en1977 leMariner Jupiter-Saturn program est nomméprogramme Voyager, jugé plus communicant[24].
Les missions du programmeMariner sont à la fois à l'origine de plusieurs premières techniques dans le domaine de l'exploration spatiale et bouleversent nos connaissances sur les planètes les plus proches de la Terre[7].
Le programmeMariner est extrêmement riche en résultats scientifiques. L'espace interplanétaire est alors très mal connu, et tout reste à découvrir. Premièrement, trois planètes sont ainsi découvertes pour la première fois, les seules observations possibles étant alors faites par des télescopes terrestres. Ensuite, de nombreuses dynamiques solaires sont étudiées, voire découvertes. Tel que levent solaire, dont le principe est utilisé pour la première fois par la sondeMariner 10 pour ralentir sa course un peu trop rapide, ou l'observation duplasma éjecté par leSoleil. Les connaissances sur le « vide » stellaire font aussi un bond en avant, grâce à de nombreuses expériences scientifiques embarquées.
De plus, pour la première fois, il est possible de voir d'autres planètes que la Terre, ce qui permet de faire avancer les hypothèses sur notre propre planète et sur la création duSystème solaire.
La dernière planète étudiée par une sondeMariner, Mercure pose de très nombreuses énigmes aux chercheurs. En effet, du fait de sa position si rapprochée du Soleil, il est presque impossible de l'observer correctement depuis la Terre, et aucune sonde n'a encore été envoyée pour l'étudier.
Mariner 10 permet de mettre fin aux spéculations. La sonde y découvre unchamp magnétique, là où les chercheurs ne pensent pas en trouver un. Une atmosphère, bien que légère, est aussi détectée. Et près de 3 500 photographies sont prises, d'une qualité exceptionnelle, permettant une étude géologique de la planète.
En 2019,Mariner 10 est la seule sonde avecMessenger à avoir étudié la planète Mercure.
Le programmeMariner apporte beaucoup en ce qui concerne la planète Vénus. De nombreux instruments l'étudie. De la cartographie radar aux mesures sur différentes longueurs d'onde, en passant par les mesures de température, ou encore la composition de son atmosphère. Beaucoup de découvertes sont faites par les sondesMariner, alors en pleine course contre leprogramme Venera de l'URSS.
Planète mystérieuse jusqu'à la missionMariner 4, c'est véritablement l'avancée la plus importante réalisée par le programmeMariner.
Avec les premières images deMariner 4, c'est tout un pan de théories qui laisse place à des faits réels. Une vie martienne devient, au mieux, impossible. Et c'est tout un monde qui doit être étudié sur des bases totalement nouvelles. Les missionsMariner vont alors se succéder, et apporter à chaque fois leurs lots de résultats scientifiques.
La première date est celle du lancement du lancement (du premier lancement s'il y a plusieurs exemplaires). Lorsqu'elle existe la deuxième date indique la date de lancement du dernier exemplaire. Si d'autres exemplaires doivent lancés la deuxième date est remplacée par un -. Pour les engins spatiaux autres que les lanceurs les dates de fin de mission ne sont jamais fournies.