vignette|Localisation des missions sur la carte lunaire. Le programme Luna regroupe toutes les missions spatiales automatiques lancées par l’Union soviétique vers la Lune entre 1959 et 1976. Vingt-quatre sondes spatiales font officiellement partie de ce programme mais il y en eut en réalité 45 en tout. Quinze de ces missions ont atteint leurs objectifs. Dès le début, les considérations politiques visant à démontrer la supériorité du savoir-faire soviétique sur celui des États-Unis ont eu le pas sur les motivations scientifiques. Lorsque les enjeux de la course à l'espace disparaissent, le programme Luna prend fin tandis que les États-Unis orientent leur programme d'exploration principalement vers Mars et les planètes externes du système solaire.
Le programme Luna est à l'origine d'un grand nombre de premières techniques dans l’exploration spatiale. Luna 1 lancé en 1959 est le premier engin spatial à s'affranchir de l'attraction terrestre tandis que Luna 2 (1959) est le premier objet artificiel à atteindre le sol lunaire. Luna 3 réalise la première photographie de la face cachée de la Lune (1959). Luna 9 (1966) est la première sonde à se poser en douceur sur la Lune, tandis que Luna 16 (1970) est le premier robot à ramener un échantillon lunaire sur Terre. Les missions Luna 17 (1970) et 21 (1973) emportent les premières astromobiles (rovers) qui vont parcourir plusieurs dizaines de kilomètres à la surface de la Lune. Sur le plan scientifique, même si beaucoup de questions importantes restent sans réponse à la fin du programme, le programme Luna comme les programmes homologues américains (programme Surveyor et Lunar Orbiter ainsi que le programme Apollo) ont beaucoup fait progresser notre connaissance de la Lune : composition du sol lunaire, topographie de la face cachée de la Lune, champ gravitationnel lunaire, évolution de la distance Terre-Lune, températures et niveaux de radiation…
Le programme a mis en œuvre des sondes spatiales de différents types (impacteur, orbiteur, atterrisseur, rover, retour d'échantillon). Celles-ci sont de plus en plus sophistiquées au fur et à mesure de l'avancement du programme, avec une masse croissant de à près de pour les rovers et les derniers orbiteurs. Plusieurs lanceurs ont été utilisés mais tous ont souffert de problèmes de fiabilité qui sont à l'origine d'une grande partie des échecs des missions Luna. Après la mission Luna 24 en 1976, l'Union soviétique et la Russie (qui a pris le relais du programme spatial soviétique) n'ont plus lancé aucune sonde vers la Lune pendant de longues décennies jusqu'à la reprise du programme et l'envoi de la sonde Luna 25 en 2023.
Contexte Lancement du programme d'exploration lunaire
Le lancement du premier satellite artificiel, Spoutnik 1, a lieu en . Mais dès 1955, alors que le missile balistique intercontinental R-7 Semiorka, qui sera le premier lanceur de satellite, est encore en cours de mise au point, le futur responsable du programme spatial soviétique Sergueï Korolev envisage de lancer une sonde spatiale vers la Lune avec cette fusée. Il suffit selon ses calculs d'ajouter un étage supplémentaire au missile pour pouvoir lancer un engin spatial de quelques centaines de kilogrammes vers notre satellite naturel. Korolev rédige pour l'Académie des sciences d'URSS une proposition de plan d'exploration de la Lune en . Cette institution y répond favorablement Tchertok volume 2, op. cit.. Après le succès retentissant de Spoutnik 1, Korolev crée au sein de l'OKB-1 trois nouveaux bureaux d'études consacrés respectivement aux satellites de télécommunications, aux missions habitées et au développement de sondes spatiales à destination de la Lune. Cette dernière structure est placée sous la responsabilité de Mikhaïl Tikhonravov et de Gleb Maximov. Par ailleurs, un programme comportant une série de missions lunaires de complexité croissante est élaboré par l'académicien Mstislav Keldych. Ce plan prévoit : un premier vol (Ye-1) qui doit s'écraser sur la Lune et doit ainsi contribuer à mettre au point les techniques spatiales (propulsion, pilotage) permettant d'atteindre notre satellite naturel; une mission qui doit photographier la face cachée de la Lune (Ye-3) ; une troisième mission (Ye-4) proposée par l'académicien Zeldovich qui consiste à faire exploser une bombe atomique à la surface de la Lune. Cette proposition est abandonnée après évaluation des risques en cas d'échec et des répercussions négatives au sein de la communauté scientifique ; Ye-5 qui doit effectuer un relevé photographique détaillé de la surface de la Lune ; Ye-6 qui doit couronner le programme avec un atterrissage en douceur et la transmission d'un panorama lunaire. Cette liste est soumise à l'Académie des sciences et au dirigeant soviétique Khrouchtchev. Un décret formalise l'accord des autorités le . Pour remplir ce programme, Korolev doit ajouter un troisième étage à son lanceur R-7 Semiorka. Le fournisseur de moteurs-fusées attitré de Korolev, Valentin Glouchko, ne pouvant fournir dans les délais l'étage souhaité, il confie son développement à Sémion Kosberg, un nouvel arrivant dans le domaine des fusées, transfuge de l'aviation. L'ensemble formé par la Semiorka et le troisième étage «Bloc Ye»Ye est la sixième lettre de l'alphabet cyrillique. Les cinq premières lettres sont associées à l'étage central et aux propulseurs d'appoint de la fusée Semiorka reçoit le nom de code 8k72 mais est baptisée Luna dans les communiqués officielsTchertok volume 2, op. cit..
Les sondes Luna
Les sondes du programme Luna, qui sont lancées entre 1959 et 1976, peuvent être regroupées dans 8 grandes familles aux caractéristiques très différentes. Celles-ci sont résumées ci-dessous : + Les familles de sonde du programme Luna Modèle Type Premier lancement Dernier lancement Nombre missions/réussies Lanceur Masse Charge utile Résultats Remarques Ye-1 Impacteur 23/9/1958 12/9/1959 6/1,5 Luna (Ye-1), (Ye-1A) 5 instruments scientifiques Ye-2A et Ye-3 Orbiteur 4/10/1959 19/4/1960 3/1 Luna (Ye-2A) 6 instruments scientifiques Ye-6 Atterrisseur 4/1/1963 3/12/1965 11/0 Molnia 1422- 2 instruments scientifiques Ye-6M Atterrisseur 31/1/1966 21/12/1966 2/2 Molnia-M 1438- 2 (Luna 9) puis 6 instruments scientifiques Ye-6S et Ye-6LF Orbiteur 1/3/1966 7/4/1968 7/3 Molnia-M 1584- 6 à 9 instruments scientifiques Ye-8 Rover 19/2/1969 8/1/1973 3/2 Proton-K 5660- 8 à 10 instruments scientifiques Ye-8-5 Retour échantillon 14/6/1969 9/8/1976 11/3 Proton-K 5667- 2 instruments scientifiques Ye-8-LS Orbiteur 3/10/1971 29/5/1974 2/2 Proton-K 8 instruments scientifiques
Premières missions interplanétaires et premiers succès (1958-1959) vignette|Étage supérieur (bloc E) du lanceur Luna et sonde spatiale Luna 1.
La course à la Lune
Six missions destinées à s'écraser sur la Lune, dont deux réussies, sont lancées en 1958 et 1959 en utilisant le modèle de sonde Ye-1. Au printemps 1958, Korolev sait que les États-Unis, avec lesquels l'Union soviétique a entamé une course de prestige, préparent l'envoi d'une sonde vers la Lune au cours de l'été dans le cadre du programme Pioneer. Bien que le troisième étage, qui n'a jamais encore volé, ne soit pas parfaitement au point, Korolev fait préparer un lancement d'une sonde lunaire Ye-1 à la date prévue pour le lancement de la sonde américaine ; la trajectoire calculée par l'équipe soviétique est plus courte et la sonde de Korolev est assurée d'arriver avant la sonde américaine. Pour ce lancement comme pour tous les suivants, les Américains annoncent à l'avance la date tandis que les Soviétiques n'officialisent leurs lancements qu'après coup et seulement s'ils sont réussis. Les échecs soviétiques sont ainsi dissimulés accentuant l'impression de domination de l'astronautique soviétique durant les premières années de l'ère spatiale. Le , jour du lancement, le lanceur américain explose en vol. Korolev décide de reporter son propre lancement pour améliorer la fiabilité de son lanceur. Le premier lancement de la sonde lunaire soviétique a lieu le mais il échoue. Un problème de résonance entraine la désintégration du lanceur en cours de vol. Le jour de la deuxième tentative américaine, le , Korolev dispose d'un lanceur également prêt. Le troisième étage du lanceur de la sonde américaine Pioneer 1 est à nouveau victime d'une défaillance mais la fusée soviétique qui est lancée dans la foulée est de nouveau victime du phénomène de résonance. Le problème est corrigé et une troisième tentative est effectuée le . Le lancement échoue à nouveau à la suite d'une défaillance de la turbopompe injectant l'oxygène dans la chambre de combustion du troisième étage. Les Américains sont aussi peu chanceux avec leur lanceur puisque leurs deux tentatives des et échouent également.
Nouveau triomphe de l'astronautique soviétique
Lors de la quatrième tentative, le , le lanceur fonctionne jusqu'au bout et la sonde parvient enfin à s'arracher à l'orbite terrestre. Mais la trajectoire suivie n'est pas parfaite car l'arrêt du second étage, qui est radio-commandé, est déclenché trop tard. La sonde qui devait s'écraser sur la Lune passe à de distance et se trouve placée sur une orbite héliocentrique. C'est donc un demi-succès pour l'équipe de Korolev mais les autorités soviétiques s'empressent néanmoins d'annoncer que la sonde a parfaitement rempli ses objectifs en réalisant trois premières : s'arracher à l'orbite terrestre, survoler à faible distance la Lune, et se placer sur une orbite héliocentrique. La sonde est sur le moment baptisée Mechta (rêve en russe) mais sera renommée un an plus tard Luna 1. Ses instruments permettent de découvrir le vent solaire. Aucun champ magnétique significatif d'origine lunaire n'est découvert et le flux de micrométéorites s'avère beaucoup plus faible que prévu. Deux mois plus tard, les Américains réussissent à leur tour à survoler la Lune (mission Pioneer 4). La sonde lunaire soviétique est légèrement modifiée (version Ye-1A) et est lancée le mais le lanceur est victime d'une défaillance d'un de ses gyroscopes. Le , le sixième tir qui emporte Luna 2 est un succès total. Pour la première fois, un engin construit par l'homme atteint la surface d'un autre corps céleste. La sonde s'écrase à l'est de la Mare Imbrium. Tous les instruments scientifiques ont parfaitement fonctionné et l'absence de champ magnétique lunaire significatif est confirmé. Khrouchtchev utilise cette nouvelle preuve de la supériorité de la technique soviétique en offrant au président Eisenhower le , lors d'un séjour effectué aux États-Unis, une réplique de sphères ornées des symboles soviétiques qui se sont écrasées sur la Lune avec la sonde.
Caractéristiques techniques des sondes spatiales Ye-1
Les sondes de la série Ye-1 reprennent la forme sphérique des premiers satellites Spoutnik avec un diamètre plus important ( au lieu de ) et une masse quatre fois plus élevée ( pour Luna 1). La coque extérieure est réalisée dans un alliage d'aluminium et de magnésium. Plusieurs antennes et capteurs d'instruments scientifiques sont fixés sur la surface de la sphère parfaitement polie. La sonde ne dispose d'aucun moyen de propulsion et est stabilisée par rotation avec une vitesse de 1 tour toutes les 14 minutes. L'intérieur de la sphère est rempli d'azote pressurisé à 1,3 bar ; un ventilateur brasse le gaz pour le maintenir à une température comprise entre en exploitant la présence de sources de chaleur (l'électronique embarquée) et de froid (la face de la sonde située à l'ombre). L'énergie est fournie par des batteries zinc-argent. Un émetteur/récepteur radio transmet les télémesures et scientifiques en bande métrique avec un débit de 1 kilobit par seconde. La sonde dispose d'un émetteur de secours fonctionnant en ondes courtes. La charge utile comprend : un magnétomètre tri axial ; un détecteur de rayons cosmiques par effet Tcherenkov ; un détecteur de micrométéorites utilisant l'effet piezoélectrique ; des détecteurs d'ions du vent solaire ;