Programme Explorer

Le programme Explorer est un programme de la NASA, l'agence spatiale américaine, dont l'objectif est la réalisation de missions scientifiques à coût modéré et à fréquence rapprochée. Il s'agit du programme spatial le plus ancien de l'agence spatiale : le premier satellite de ce programme, Explorer 1, est lancé en 1958 et est également le premier satellite artificiel américain. Cet engin met en évidence les ceintures de Van Allen. En 2019, près de 100 missions ont été lancées dans des domaines aussi divers que l'astronomie, l'héliophysique, l'exploration du Système solaire, l'étude de la magnétosphère terrestre, la cosmologie, etc. Si aucun n'a eu la notoriété de missions phares beaucoup plus coûteuses comme Hubble, prises ensemble elles sont à l'origine du plus grand apport scientifique du programme spatial américain. Le programme Explorer est géré par le centre de vol spatial Goddard de la NASA. Il continue en 2019 à être à l'origine de nouveaux satellites scientifiques (en moyenne un par an).

Les missions Explorer regroupent des missions scientifiques aux objectifs très variés (étude de la haute atmosphère terrestre, de la magnétosphère, du milieu interplanétaire, du Soleil, de l'astronomie, de la géodésie) et qui sont caractérisées par un coût réduit. Toutefois, certains satellites de la NASA ayant ces caractéristiques ne font pas partie de cette série.

Les missions Explorer sont depuis 1992 classées dans plusieurs catégories qui sont déterminées par leur coût et l'implication de la NASA :

• Medium-class Explorers (MIDEX) regroupe des missions dont le coût, lancement et exploitation compris, ne doit pas dépasser 180 M$, tel que WISE.
• Small Explorers (SMEX) regroupe des missions dont le coût, lancement et exploitation compris, ne doit pas dépasser 120 M$. Par exemple le télescope à rayons X NuSTAR
• University-class Explorers (UNEX) / SNOE rassemble des missions dont le coût, lancement et exploitation compris, ne doit pas dépasser 15 millions de dollars américains, comme le microsatellite CHIPSat.
• Explorer (EX) regroupe des missions dont le coût sans le lancement ne doit pas dépasser 200 millions de dollars américains (2011). Par exemple, TESS.
• Missions of Opportunity (MO) regroupe des participations scientifiques à des missions qui ne sont pas placées sous la responsabilité de la NASA. Celle-ci fournit par exemple un des instruments du télescope spatial japonais ASTRO-H. Le montant de l'investissement de la NASA sur une MO est plafonné à 35 millions de dollars américains.
• Internationals comme INTEGRAL.

Pour l'année géophysique internationale (AGI) de 1958, l'Union soviétique et les États-Unis décident de développer chacune de leur côté un lanceur destiné à placer le premier satellite artificiel en orbite. Les américains choisissent de construire un nouveau lanceur dans le cadre du projet Vanguard de l'aéronavale de guerre américaine, mais celui-ci accumule les échecs et les soviétiques prennent la tête de la course à l'espace en mettant en orbite Spoutnik 1 le 4 octobre 1957. L’équipe de Wernher von Braun, qui travaille sur un missile à moyenne portée pour l'armée de terre américaine et propose de le transformer en lanceur, obtient le feu vert pour développer celui-ci. Un petit satellite de 13,97 kilogrammes est rapidement développé par le Jet Propulsion Laboratory qui embarque notamment un compteur Geiger. Explorer 1 est lancé le 1^er février 1958 et découvre la ceinture de Van Allen. Plusieurs petits satellites scientifiques sont développés et lancés sous l'appellation Explorer par l'Armée de Terre avant que la NASA ne soit créée le 1^er octobre 1958 et ne prenne la suite.

Depuis ses débuts, près d'une centaine d'engins rattachés à ce programme sont lancés (2019). Il s'agit de la plus longue série de missions de l'histoire spatiale puisque les missions rattachées à ce programme continuent à être budgétées en 2019. La fabrication des premiers satellites Explorer est souvent confiée au Centre de recherche Langley ou au centre de vol spatial Goddard de la NASA. Par la suite, elle est souvent prise en charge par des universités ou des entreprises externes. Le programme Explorer est géré par le centre de vol spatial Goddard. Courant 2017, 13 missions sont encore opérationnelles.

On peut décomposer l'histoire du programme Explorer en quatre phases :

• Durant la première période (missions Explorer 1 à Explorer 5), les missions sont développées de manière prioritaire pour répondre à l'avance prise par l'Union soviétique avec le lancement du premier satellite artificiel Spoutnik 1. À l'époque, il est géré par les militaires.
• À partir d'Explorer 6 et jusqu'à Explorer 55 : le programme spatial est désormais confié à la NASA, qui prend le relais des militaires. L'agence spatiale développe de nombreuses missions scientifiques à faible coût lancées à un rythme élevé.
• Au cours de la troisième période, le nombre de missions se raréfie dans un contexte budgétaire très défavorable lié au coût de développement de la navette spatiale américaine, à l'emphase mise sur les missions scientifiques à coût élevé et à la baisse drastique du budget spatial décidé par le président Nixon. Les quelques missions développées sont toutefois de taille nettement plus importantes que durant la période précédente. Aucune mission Explorer n'est lancée durant cette période au cours des années 1980, 1982, 1983, 1985 à 1988, 1990, 1991, 1993, 1994.
• La mise en place de la politique du faster, better, cheaper dans la première moitié des années 1990 redonne vie au programme sans toutefois renouer avec la fréquence des lancements de la première décennie. Désormais les satellites ne sont plus développés au sein de l'agence mais donnent lieu à un appel d'offres dans le but de confier leur réalisation à des universités ou des sociétés. Les budgets alloués à la mission entrent dans des contraintes précises : SMEX, MIDEX, etc. La première mission inaugurant cette nouvelle phase est Solar Anomalous and Magnetospheric Particle Explorer (SAMPEX) lancée en 1992.

En août 2017, la NASA annonce qu'elle a pré-sélectionné trois propositions de missions de type MIDEX et trois Missions of Opportunity (MO). Les équipes de ces projets vont bénéficier chacun d'un budget (2 millions de dollars américains pour chaque mission SMEX et 500 000 dollars américains pour les MO) afin de mener à bien une étude de conception sur 9 mois. La NASA sélectionne en 2019 sur la base de ces travaux une mission de chaque type pour un lancement en 2023. Le budget d'une mission SMEX est limité à 250 millions de dollars américains tandis qu'une MO bénéficie d'un budget de 70 millions de dollars américains.

Les missions MIDEX sont des observatoires spatiaux :

• Arcus (Exploring the Formation and Evolution of Clusters, Galaxies and Stars) a pour objectif d'étudier les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies en spectroscopie rayons X à haute résolution afin d'observer les interactions entre ces objets ainsi que le gaz qui les entoure dont la température est porté à des millions de degrés.
• FINESSE (Fast INfrared Exoplanet Spectroscopy Survey Explorer) doit étudier les processus qui conduisent à la formation des planètes et de leur climat ainsi que les mécanismes qui déterminent la composition chimique et la forme de leur atmosphère. À cet effet il utilise la spectroscopie en lumière visible et proche infrarouge pour observer l'atmosphère de 500 exoplanètes allant du type super-Terre aux géantes gazeuses.
• SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explore) observe l'ensemble du ciel en proche infrarouge pour étudier l'origine de l'Univers et observe l'origine et l'évolution des galaxies et détermine que certaines planètes hébergent la vie.

La mission SPHEREx est sélectionnée en février 2019 dans la catégorie MIDEX. Ce télescope spatial doit être lancé en décembre 2023.

Les trois missions d'opportunité sont  :

• COSI-X (Compton Spectrometer and Imager Explorer).
• TAO-ISS (Transient Astrophysics Observer on the International Space Station).
• CASE (Contribution to ARIEL Spectroscopy of Exoplanets).

En juin 2019 la NASA sélectionne deux missions SMEX dont le lancement est programmé en 2022 :

• Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere (PUNCH) est une constellation de quatre satellites qui doit étudier les couches externes de l'atmosphère du Soleil, la couronne solaire et déterminer comment celle-ci génère le vent solaire. La mission est développée sous la supervision du Southwest Research Institute (Boulder, Colorado) et bénéficie d'un budget de 165 millions US$.
• Tandem Reconnection and Cusp Electrodynamics Reconnaissance Satellites (TRACERS) comprend deux satellites qui doivent étudier les champs magnétiques et les particules au-dessus du pôle nord dans le but d'étudier comment ceux-ci réagissent aux événements solaires. La mission est développée sous la supervision de l'Université de l'Iowa à Iowa City et bénéficie d'un budget de 115 millions US$.

L'appellation Explorer ne résulte pas d'un choix des concepteurs des premiers satellites de la série mais est l'appellation donnée par le président des États-Unis au premier engin de la série une fois celui-ci en orbite. Cette appellation est officialisée lorsque la NASA reprend le programme initialement géré par les militaires c'est-à-dire à partir d'Explorer 6. Le centre de vol spatial Goddard, établissement de la NASA chargé du programme, désignait les premiers Explorer qu'elle conçoit en leur attribuant un chiffre précédé de S (comme scientifique). Parfois une lettre minuscule ou majuscule suivait ce nombre (par exemple S56a pour Explorer 9). Peu après des appellations particulières sont associées aux missions en fonction de leurs objectifs (par exemple AE pour Atmospheric Explorer) suivi d'une lettre correspondant à un numéro d'ordre au sein de cette sous série (par exemple IMP-A, IMP-B, IMP-C...). Ce système de désignation et celui avec un préfixe S ont coexisté quelques années. Pour rendre les choses encore plus compliquées, des missions initiées par d'autres établissements sont intégrées dans le programme Explorer durant cette période en conservant leur désignation d'origine (Injun, Solrad). Le numéro d'ordre qui est par ailleurs utilisé en association avec le nom du programme (Explorer 12) cesse d'être utilisé de manière officielle à partir d'Explorer 55 en 1975. Le nom du programme est toutefois rappelé dans la désignation de la mission qui se termine généralement par E ou EX (FUSE, GALEX), mais il y a de nombreuses exceptions.

• (en) Brian Harvey, Discovering the cosmos with small spacecraft : the American Explorer program, Cham/Chichester, Springer Praxis, 2018, (ISBN 978-3-319-68138-2)
  Histoire du programme Explorer.

• NASA
• Centre de vol spatial Goddard
• Programme Discovery, autre programme de la NASA dédiée aux missions scientifiques à faible coût

• (en) Site officiel de la NASA consacré au programme Explorer
• (en) Les missions Explorer lancées par les fusées Juno I et Juno II
• (en) Brochure de la NASA publiée pour les 40 ans du programme Explorer

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