Programme Discovery

Le programme Discovery de la NASA regroupe une série de missions spatiales peu onéreuses (moins de 450 millions de dollars en 2015) et très ciblées, centrées sur l'exploration robotisée du Système solaire, à l'exception notable du télescope Kepler, dont l'objectif est l'identification d'exoplanètes. Chaque mission doit traiter une des questions définies dans le Rapport sur les orientations à donner au programme spatial d'exploration du système solaire, établi tous les dix ans.

Mis en place au début des années 1990, ce programme prévoit le lancement régulier et rapproché de missions en définissant les contraintes sur leur coût et le temps de développement et en confiant la responsabilité de chacune d'elles à un scientifique. En 2025, quatorze missions ont été lancées et deux sont en développement. Le rythme initialement prévu (une mission tous les deux ans) a fortement baissé au cours des années 2010, à la suite de difficultés financières rencontrées par la NASA. Seulement deux missions sont lancées au cours de la décennie 2010, de même que dans la décennie 2020, contre six dans les années 2000.

Le lancement de la douzième mission, InSight, a eu lieu en 2018. Début 2017, l'agence spatiale américaine sélectionne la sonde spatiale Lucy, qui devrait être lancée en 2021 et survoler six astéroïdes troyens, et Psyché, qui sera lancée en 2023 et se placera en orbite autour de l'astéroïde métallique (16) Psyché en 2030. En juin 2021 ce sont deux missions à destination de Vénus , l'orbiteur VERITAS et la sonde atmosphérique DAVINCI, qui sont choisies.

Le programme Discovery est créé en 1992 par l'administrateur de la NASA, Daniel S. Goldin, pour permettre la réalisation de missions spatiales « plus fréquentes, moins chères, plus performantes ». Durant les deux décennies précédentes, la NASA avait développé plusieurs missions, comme Cassini-Huygens ou Galileo, très ambitieuses (nombre d'instruments embarqués, large éventail d'objectifs, masse) mais du coup, peu nombreuses, complexes à organiser, coûteuses et longues à implémenter et finalement parfois annulées avant d'avoir abouti.

Les missions Discovery, dont les coûts sont fixés à l'avance, sont proposées par des équipes issues des laboratoires gouvernementaux et des universités, du monde de l'industrie et supervisées par un Investigateur Principal. Un processus de sélection de propositions permet de choisir les missions sur lesquelles s'engage la NASA. Le coût des missions Discovery est plafonné à 450 millions de dollars (en 2015) sans les coûts de lancement. Le temps de préparation des missions, du début au lancement, ne doit pas excéder trente-six mois.

Les missions d'exploration du Système solaire d'un coût supérieur relèvent du programme New Frontiers. Certaines missions vers la planète Mars de la même classe de coût que Discovery sont regroupées dans le programme Mars Scout jusqu'à la disparition de ce programme en 2010.

Début 2020, quatorze missions ont été sélectionnées depuis le début du programme dont onze sont achevées, une est en cours et deux sont en phase de développement. Hormis CONTOUR, toutes les missions ayant volé ont parfaitement rempli leurs objectifs scientifiques tout en respectant la philosophie du programme. Par principe, le lancement d'un nouveau projet, contrairement à ce qui se passe pour les autres promis, n'est pas soumis à l'accord du Congrès américain. Seule l'enveloppe accordée au programme peut limiter le rythme de sélection comme on a pu le constater au début de la décennie 2010. Alors qu'il était prévu initialement de lancer une mission Discovery tous les deux ans, il se sera écoulé 5 ans entre le lancement de la 11^e mission Gravity Recovery and Interior Laboratory (2011) et celui de InSight planifié en 2016. Début 2015, la NASA a prévu de ramener la cadence des lancements à 3 ans.

La seule contrainte concernant les objectifs des missions Discovery proposées est qu'ils doivent répondre à une des questions identifiées dans le Planetary Science Decadal Survey (en français : « étude décennale sur les sciences planétaires »). Ce rapport du Conseil National de la Recherche des États-Unis, réalisée tous les dix ans, fait un état des lieux de la recherche dans le domaine des sciences planétaires et définit les axes de recherche prioritaires. Ce document propose une stratégie dans le domaine de l'exploration spatiale du système solaire et de la recherche astronomique pour les 10 années suivantes. Il est rédigé par des groupes de travail réunissant les principaux spécialistes du domaine qui exploitent des documents de synthèse établis au préalable par les chercheurs du domaine. Le dernier rapport a été publié en mars 2011 et porte sur la décennie 2013-2022.

Les « missions d'opportunité » du programme Discovery désignent des projets impliquant une participation financière limitée par le programme Discovery à un projet externe : fourniture d'un instrument scientifique, extension d'une mission existante pour remplir un objectif secondaire :

• ASPERA-3 est un instrument embarqué sur la sonde Mars Express (mission en cours en 2016) qui doit étudier l'interaction entre le vent solaire et l'atmosphère de la planète Mars ;
• Moon Mineralogy Mapper (M3) est un instrument embarqué sur la sonde lunaire indienne Chandrayaan-1 (mission achevée en 2009). L'instrument étudie la composition minéralogique de la Lune ;
• EPOXI est une mission secondaire de la sonde spatiale de la NASA Deep Impact consistant à effectuer un survol de la comète 103P/Hartley. Le survol a été effectué en novembre 2010 ;
• Stardust-NExT (pour en anglais : New Exploration of Tempel 1) est une mission secondaire de la sonde spatiale Stardust consistant à survoler la comète Tempel 1 à une distance d'environ 200 kilomètres le 14 février 2011, lui permettant ainsi d'effectuer une comparaison avec les données collectées par la sonde Deep Impact sur la même comète. La mission s'est achevée en mars 2011 ;
• Strofio est un spectromètre de masse embarqué à bord de la sonde BepiColombo de l'Agence spatiale européenne (lancement 2016) qui doit analyser l'atmosphère de la planète Mercure.
• MEGANE (en anglais : Mars-moon Exploration with GAmma rays and NEutrons) est un instrument embarqué à bord de la mission Martian Moons Exploration (MMX) de l'agence spatiale japonaise JAXA dont l'objectif est d'étudier Phobos et Deimos, les lunes de Mars. Son lancement doit intervenir en 2024. MEGANE comprend un spectromètre à rayons gamma et un spectromètre à neutrons.
• À la suite de la disparition du programme Lunar Precursor Robotic, l'orbiteur lunaire Lunar Reconnaissance Orbiter est prise en charge par le programme Discovery.

Deux missions sont en cours de développement : Lucy et Psyché.

L'appel à propositions de la treizième mission est lancé par la NASA en février 2014. La sélection en cours doit être également utilisée pour choisir la 14^e mission Discovery comme cela se produisait au lancement du programme Discovery lorsque le contexte budgétaire général était plus favorable. Pour cette mission, plusieurs conditions financières ont été précisées par la NASA:

• un tiers du coût de la mission peut être pris en charge par un partenaire international sans être inclus dans le plafond ;
• la NASA apportera un bonus de 30 millions de dollars aux propositions qui retiendront le système de communications optique laser testé par la sonde lunaire LADEE.

La sélection se fait en trois étapes :

• lors du premier tour, chaque proposition est notée d'une part sur la qualité de son programme scientifique, d'autre part sur sa faisabilité technique. Les projets les mieux notés selon ces deux critères sont sélectionnés pour le second tour ;
• Les finalistes (généralement 2 à 3 projets) reçoivent des fonds de la NASA pour réaliser une première phase de conception (phase A) d'environ un an à l'issue de laquelle la NASA sélectionne le projet retenu.

Le processus de sélection débute en février 2014. Les résultats de la première phase de la sélection sont annoncés en septembre 2015. Cinq missions sont présélectionnées : trois missions à destination d'astéroïdes (Psyché, NEOCam et Lucy) et deux missions à destination de Vénus (VERITAS et DAVINCI). La NASA sélectionne en janvier 2017, deux missions spatiales toutes deux à destination des astéroïdes : Lucy qui doit être lancée en 2021 et Psyché lancée en 2023.

La NASA a reçu 28 propositions de missions :

Étude de la Lune

• NanoSWARM est un ensemble constitué de plusieurs nano satellites au format CubeSat qui doivent étudier le magnétisme lunaire, la physique des magnétosphères à petite échelle et l'érosion spatiale.
• MARE (en anglais : Moon Age and Regolith Explorer) est un atterrisseur emportant un instrument capable de donner l'âge du régolithe sans avoir ramené d'échantillon sur Terre.

Étude des satellites de Mars Deimos ou Phobos

• PANDORA (en anglais : Phobos ANd Deimos ORigin Assessment) est un orbiteur équipé d'une propulsion électrique. Cette mission est proposée par le centre JPL de la NASA avec l'industriel Boeing.
• PADME (en anglais : Phobos And Deimos Mars Explorer) a recours à un engin spatial similaire à la sonde lunaire LADEE. Moins coûteux que Pandora, il emporte moins d'instruments scientifiques. C'est une proposition du centre de recherche Ames de la NASA,
• MERLIN (en anglais : Mars-Moons Exploration, Reconnaissance and Landed Investigation) est proposé par l'Applied Physics Laboratory de l'Université Johns-Hopkins. Il s'agit d'un atterrisseur qui doit se poser sur Phobos.

Étude de Vénus

• VASE (en anglais : Venus Atmosphere and Surface Explorer) doit larguer des ballons dans l'atmosphère de la planète ainsi qu'un impacteur qui prendra des images du sol durant sa descente.
• RAVEN (en anglais : Radar At VENus) est un orbiteur qui sera utilisé pour établir une carte à haute résolution de la surface. Cette mission est proposée par l'Université d'Alaska.
• VERITAS (en anglais : Venus Emissivity, Radio Science, InSAR Topography and Spectroscopy) est également une mission de cartographie radar proposée par le centre JPL.
• DAVINCI (en anglais : Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging) est une sonde atmosphérique qui doit analyser la composition de l'atmosphère de Vénus durant sa descente vers le sol d'une durée de 63 minutes. Parmi les principaux objectifs figurent l'existence de volcans actifs et les interactions entre l'atmosphère et le sol de la planète.

Étude des planètes externes

• IVO (en anglais : Io Volcano Observer) doit survoler à plusieurs reprises la lune de Jupiter Io. Utilise des panneaux solaires. Proposé pour la sélection précédente avec un RTG.
• Enceladus Life Finder doit survoler la lune de Saturne Encélade pour détecter des indices de vie dans les panaches de gaz libérés. Utilise des panneaux solaires de 43 mètres d'envergure.

Télescopes spatiaux pour l'étude du système solaire

• Whipple utiliserait une nouvelle technologie pour détecter des objets situés au-delà de l'orbite de Pluton. Candidat recalé de 2011.
• NEOCam est une mission du centre JPL utilisant un nouveau capteur pour télescope destiné à détecter les géocroiseurs trop petits ou pas assez lumineux pour être observés par des télescopes terrestres. Candidate recalé en 2006 et 2011.
• Kuiper doit être utilisé pour étudier les planètes externes et les objets de la ceinture de Kuiper.

Étude d'astéroïdes

Quatre missions ont pour objectif de se placer en orbite autour d'un astéroïde pour l'étudier.

• Psyché est un engin spatial qui doit se placer en orbite autour du gros astéroïde (16) Psyché (environ 200 km de diamètre) qui présente la particularité d'être composé à 90 % de métal. Celui-ci est peut-être le débris du cœur d'une protoplanète.
• DARe (en anglais : Dark Asteroid Rendezvous) est un engin propulsé par moteur ionique qui doit lui permettre d'étudier jusqu'à neuf astéroïdes.
• BASiX (en anglais : Binary Asteroid in-situ Explorer) étudiera la structure de l'astéroïde (175706) 1996 FG₃, présentant la particularité d'avoir un satellite de 500 mètres de diamètre. La mission emporte une caméra, un imageur infrarouge et doit déposer des géophones à la surface qui enregistreront les ondes sismiques déclenchées par de petites explosions.
• AJAX (en anglais : Advanced Jovian Asteroid Explorer) doit se placer en orbite autour d'un satellite troyen de type D de 32 km de diamètre et cartographier sa surface. Il embarque un engin mobile qui, une fois déposé à sa surface, doit analyser la composition de celle-ci.

Étude systématique des astéroïdes

• Lucy est une mission d'étude des astéroïdes troyens. Elle embarque des instruments de New Horizons (caméra LORRI et Ralph), un spectromètre imageur et le système de prélèvement d'échantillons d'OSIRIS-REX. L'objectif est d'étudier la composition des différentes catégories de troyens précédant et suivant Jupiter et de ramener des échantillons du sol de chacun d'entre eux sur Terre.
• MANTIS (en anglais : Main-belt Asteroid and NEO Tour with Imaging and Spectroscopy) doit survoler neuf astéroïdes de la ceinture d'astéroïdes dont deux binaires en utilisant une caméra avec téléobjectif, un spectromètre, un imageur multispectral infrarouge et un analyseur de poussière.

Étude de comètes

Les quatre missions à destination de comète se proposent de se mettre en orbite autour de celle-ci et de l'étudier en utilisant 3 à 5 instruments :

• CORE (en anglais : COmet Radar Explorer) a pour objectif d'étudier la structure interne de la comète 10P/Tempel avec un radar et de cartographier la surface de celle-ci. Il emporte également une copie de la caméra de Dawn et un imageur infrarouge. Son principal objectif est d'étudier la structure de la comète ;
• CHagall est une mission destinée à étudier la structure de la comète Hartley 2 (déjà survolée dans le cadre de la mission EPOXI) ainsi que sa surface à l'aide d'une caméra et d'un spectromètre infrarouge tandis qu'un spectromètre de masse doit étudier la composition atomique et isotopique des gaz rejetés. La sonde spatiale doit faire exploser des charges à la surface de la comète pour étudier le sol sous la surface ;
• PriME (en anglais : Primitive Material Explorer) doit étudier la même comète avec les mêmes instruments mais la charge explosive est remplacée par un spectromètre à ion et électron ;
• Proteus doit se placer en orbite autour de la comète 238P/Read qui fait 400 mètres de diamètre et est située dans la ceinture d'astéroïdes. La sonde spatiale qui doit étudier la structure et la composition de la comète emporte seulement deux instruments : une copie de la caméra de Dawn et le spectromètre de masse MASPEX.

Étude de Mars

• Mars Icebreaker Life est un atterrisseur martien proposé par le centre Ames destiné à poursuivre l'étude menée par la sonde spatiale Phoenix sur les glaces des pôles en des échantillons de sol prélevés à plus grande profondeur.

Les propositions pour les 15^e et 16^e missions ont été proposées à la NASA entre le 1^er avril et le 1^er juillet 2019. Les quatre propositions finalistes sont annoncées par l'agence spatiale le 13 février 2020. Ce sont deux missions à destination de la planète Vénus, une mission à destination de la lune de Jupiter Io et une mission à destination Triton, la lune de Neptune. Chacune des quatre missions dispose de 9 mois pour développer le concept et reçoit 3 millions de dollars pour mener à bien cette étude. Le 2 juin 2021 la NASA officialise la sélection des deux missions à destination de Vénus VERITAS et DAVINCI.

Les principales caractéristiques des missions finalistes sont :

• IVO (en anglais : Io Volcano Observer) doit se placer en orbite autour de Jupiter et survoler à plusieurs reprises la lune Io. La sonde spatiale utilise des panneaux solaires. Elle était proposée pour la sélection précédente avec un générateur thermoélectrique à radioisotope.
• VERITAS (en anglais : Venus Emissivity, Radio Science, InSAR Topography and Spectroscopy) est une mission de cartographie radar de la planète Vénus proposée par le centre JPL.
• DAVINCI (en anglais : Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging) est une sonde atmosphérique qui doit analyser la composition de l'atmosphère de la planète Vénus durant sa descente vers la surface de celle-ci d'une durée de 63 minutes. Parmi les principaux objectifs figurent la recherche de volcans actifs et l'étude des interactions entre l'atmosphère et le sol de la planète.
• TRIDENT est une mission qui doit étudier Triton, une lune de Neptune recouverte de glace et particulièrement active. Les données doivent être recueillies au cours d'un unique survol qui doit permettre de caractériser les processus à l'œuvre à la surface de la lune et déterminer si des océans sont présents sous celle-ci. La mission est proposée par le Lunar and Planetary Institute et est gérée par le JPL. C'est la première mission Discovery dont la destination est aussi éloignée (29 Unités Astronomiques). Pour produire son énergie à une distance aussi éloignée du Soleil la sonde spatiale utilise deux MMRTG.

La NASA a reçu en tout une vingtaine de propositions de missions. Les missions non finalistes sont :

Étude de la Lune

• Lunar Compass Rover est un astromobile qui doit explorer une région comportant des anomalies magnétiques sur la face visible de la Lune qui sont peut-être à l'origine d'étranges formations baptisées tourbillons lunaires. La mission doit répondre à des questions importantes portant sur le magnétisme planétaire, la physique des plasmas spatiaux, l'érosion spatiale, la géologie planétaire et le cycle de l'eau sur la Lune.
• ISOCHRON (en anglais : Inner SOlar system CHRONology) est une mission dont l'objectif est de ramener sur Terre un échantillon de sol lunaire prélevé dans les basaltes d'une des mers lunaires les plus récentes.
• Moon Diver est un rover lunaire qui doit explorer une crevasse profonde afin d'analyser les couches géologiques mises à nu et de déterminer si la crevasse est connectée à un tube de lave.
• NanoSWARM est une constellation de satellites au format CubeSat qui doivent étudier le magnétisme de la Lune, la physique des magnétosphères à petite échelle et l'érosion spatiale.

Étude de Vénus

• HOVER (en anglais : Hyperspectral Observer for Venus Reconnaissance, en français : « observateur hyperspectral pour la reconnaissance de Vénus ») est un engin spatial qui doit se placer en orbite autour de Vénus pour effectuer des études spectrales du sommet de l’atmosphère jusqu'à la surface. Son objectif principal est de comprendre les processus climatiques de Vénus et de la super-rotation atmosphérique de la planète.

Étude des planètes externes

• MAGIC (en anglais : Magnetics, Altimetry, Gravity and Imaging of Callisto) est un orbiteur qui doit étudier Callisto, la lune de Jupiter.

Étude d'astéroïdes

• Centaurus est un engin spatial qui doit survoler plusieurs astéroïdes de type Centaure pour approfondir notre connaissance du système solaire et de sa formation. Cette mission est proposée par Alan Stern du Southwest Research Institute.
• Chimera est un engin spatial qui doit se placer en orbite autour de l'astéroïde de type Centaure 29P/Schwassman-Wachmann 1. Son objectif est l'étude de l'évolution, de la chimie et des processus d'une planétésimal glacé circulant au delà de l'orbite de Jupiter. Chimera doit étudier cet objet qui se situe dans une phase intermédiaire entre les objets trans-neptuniens et les comètes de la famille de Jupiter. Cette mission est proposée par Walter Harris du Lunar and Planetary Laboratory de l'Université de l'Arizona.
• FOSSIL (en anglais : Fragments from the Origins of the Solar System and our Interstellar Locale) placerait un engin spatial sur une orbite héliocentrique à la même distance du Soleil que la Terre pour déterminer la composition du nuage de poussière local et interplanétaire.
• MANTIS (en anglais : Main-belt Asteroid and NEO Tour with Imaging and Spectroscopy) doit survoler neuf astéroïdes de la ceinture d'astéroïdes dont deux binaires en utilisant une caméra avec téléobjectif, un spectromètre, un imageur multispectral infrarouge et un analyseur de poussière.

Étude de Mars

• COMPASS (en anglais : Climate Orbiter for Mars Polar Atmospheric andSubsurface Science) est un orbiteur dont l'objectif est de déterminer la masse des glaces stockées dans les réservoirs polaires de la planète et en dehors de ces réservoirs, de quantifier les interactions à différentes échelles et la circulation globale dans les régions polaires et de caractériser les transports de volatiles et d'aérosols depuis les régions polaires et en direction de celles-ci.
• Mars Icebreaker Life est un atterrisseur martien proposé par le centre Ames destiné à poursuivre l'étude menée par la sonde spatiale Phoenix sur les glaces des pôles en des échantillons de sol prélevés à plus grande profondeur.

• Programme New Frontiers (regroupe les missions de la NASA ayant les mêmes objectifs mais avec un coût supérieur)
• Programme Flagship (regroupe les missions les plus ambitieuses d'exploration du Système solaire)
• Planetary Science Decadal Survey Rapport décennal identifiant les objectifs scientifiques que doivent poursuivre les missions d'exploration du système solaire.

• (en) Site officiel
• (en) [PDF] L'appel à propositions de 2014

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