vignette|Les premiers pas d'humains sur la Lune : Buzz Aldrin photographié par Neil Armstrong sur la surface lunaire le pour la mission Apollo 11.
L'exploration spatiale est l'ensemble des activités qui sont réalisées dans l'espace. Elles reposent sur des techniques spécifiques relevant de l'astronautique qui permettent la réalisation de lanceurs, de satellites, de sondes spatiales, d'équipements et d'instruments spécifiques. L'exploration de l'espace remplit des objectifs scientifiques, économiques, ou militaires. L'exploration scientifique comprend l'étude du système Terre (climat, atmosphère, magnétosphère, géodésie, océanographie…), l'étude des corps célestes du Système solaire (Lune, Mars…), l'astronomie par l'utilisation de télescopes spatiaux étudiant les exoplanètes, les galaxies et le cosmos, ainsi que la réalisation d'expériences en apesanteur. L'aspect économique de l'espace prend une importance croissante et désormais prépondérante grâce notamment à des applications dans le domaine des télécommunications, de la navigation, de l'imagerie, de l'observation de la Terre, de la gestion des désastres, de la météorologie. Enfin, bien que les activités militaires en soient bannies, l'espace joue un rôle croissant au sein des forces militaires : reconnaissance optique ou radar, alerte avancée, écoute électronique et télécommunications. L'envoi d'humains dans l'espace, qui répond essentiellement à des finalités de prestige, est sauf exception (programmes Apollo et Artemis à destination de la Lune) cantonné à l'orbite terrestre basse. Cette activité comprend principalement l'occupation de stations spatiales par des équipages sur des durées pouvant atteindre un an, dans le but de réaliser des expériences scientifiques en apesanteur. D'un point de vue budgétaire, elle constitue un volet important des programmes spatiaux des principales puissances spatiales.
L'exploration spatiale débute grâce au développement à compter des années 1930 de fusées capables de lancer une charge utile avec une vitesse suffisante pour la placer en orbite terrestre. La réalisation de ce type de fusée requiert la mise au point de moteurs-fusées capables de s'affranchir de l'atmosphère en fournissant une forte poussée, de systèmes de contrôle d'attitude et d'automates prenant en charge le guidage et le pilotage. Le premier précurseur des lanceurs, le missile balistique missile V2 de l'armée allemande, dépasse pour la première fois le l'altitude de cent kilomètres qui marque de manière symbolique la frontière entre l'atmosphère terrestre et l'espace. Après la Seconde Guerre mondiale, les deux principales puissances militaires, les États-Unis et l'Union soviétique (URSS) s'appuient sur les réalisations allemandes pour développer d'abord des missiles balistiques intercontinentaux puis les premiers lanceurs. Le satellite Spoutnik 1, développé par l'URSS, est le premier engin spatial placé en orbite ().
La réalisation des premières missions spatiales est motivée par le prestige dans le contexte de la guerre froide, qui oppose l'URSS et les États-Unis. Mais très rapidement les premières applications scientifiques, commerciales et militaires se développent. Des progrès dans le domaine de la propulsion spatiale permettent de faire passer la masse de la charge utile lancée en orbite à une vingtaine de tonnes à la fin des années 1960 (de manière éphémère, pour le lanceur géant Saturn V). Le premier survol de la planète Mars est réalisé en 1964, celui de Vénus en 1962 et celui des planètes externes (Jupiter et suivantes) dans les années 1970. Les observations effectuées débouchent sur des découvertes majeures concernant les caractéristiques et l'histoire du Système solaire. L'exploration spatiale est marquée à ses débuts par la première mission d'exploration humaine à la surface de la Lune (Apollo 11 en 1969), les missions Viking à la surface de Mars, le programme Venera d'étude de Vénus ainsi que le survol des planètes externes par les sondes .
Les États-Unis, à travers leur agence spatiale civile, la NASA, jouent toujours au un rôle majeur dans le domaine de l'exploration spatiale, mais sont rejoints par des acteurs plus tardifs comme l'Agence spatiale européenne et celle du Japon, par des acteurs nouveaux comme celles de la Chine et de l'Inde, et par des acteurs privés de plus en plus nombreux. Les avancées technologiques portent désormais sur la miniaturisation, permise par les progrès de l'électronique et l'abaissement des coûts de lancement. Les projets d'exploration humaine du Système solaire marquent le pas face au développement des missions robotiques dont les capacités progressent rapidement : astromobiles (Mars Exploration Rover), mission de retour d'échantillons, drones…
Histoire
Précurseurs vignette|Illustration du vaisseau-obus décrit par Jules Verne. Les rêves d'exploration de l'espace sont intimement liés à l'astronomie. En effet, l'observation et la compréhension du ciel furent primordiales pour les premières civilisations humaines dans un but utilitaire, pour l'agriculture ou l'établissement de calendriers, mais aussi dans un but philosophique. Pour rechercher les réponses à des questions sur notre provenance, sur la raison de notre existence, et sur notre place dans l'univers, l'étude des astres et du cosmos est nécessaire. Deux solutions sont accessibles à l'humanité, la première étant d'observer les astres depuis la Terre et de comprendre leur mouvement par le biais d'outils mathématiques : c'est l'astronomie.
La deuxième solution est d'aller voir sur place et d'étudier les astres de près ; c'est ce qui deviendra plus tard l'exploration spatiale. Dès l'Antiquité, on retrouve des récits imaginant la présence de civilisations extraterrestres vivant sur la Lune. En l'an 125, Lucien de Samosate écrit Une histoire vraie, dans laquelle il relate les aventures d'Ulysse, qui voyage vers la Lune où il assiste à une guerre entre les habitants de la Lune et du Soleil. L'ouvrage est cependant destiné à dépeindre la société de l'époque..
C'est dans la Chine médiévale que l'on retrouve les premières fusées, dont les premiers écrits remontent à 1232. Maitres de la poudre à canon, les armées chinoises utilisaient ces petits tubes comme missiles lors des batailles. On y retrouve également trois siècles plus tard la légende de Wan Hu qui tenta de rejoindre la Lune sur une chaise propulsée par 47 fusées à poudre.. Plus tard, au , Savinien de Cyrano de Bergerac écrit des nouvelles dépeignant d'hypothétiques sociétés vivant sur la Lune et le Soleil. Là encore, l'objectif est de proposer un regard sur la société humaine..
Il faut attendre le pour voir apparaître les premiers ouvrages plus techniques et anticipatifs. L'exemple le plus populaire est le roman De la Terre à la Lune où Jules Verne décrit le voyage spatial dans un vaisseau habité tiré comme un projectile par un grand canon de type Columbiad. L'auteur, par son approche scientifique, y décrit de manière inédite le phénomène d'impesanteur produit par l'inertie du vaisseau, phénomène qui sera vécu un siècle plus tard par Youri Gagarine en 1961. Le reste du siècle foisonne d'œuvres littéraires moins connues qui imaginent des enjeux et des techniques de voyage spatial qui deviendront réalité au siècle d'après.
Pionniers Au début du , les connaissances en physique sont suffisantes pour élaborer sérieusement des techniques de voyage spatial, grâce à la mécanique newtonienne, aux contributions récentes de Laplace en mécanique céleste et à la description mathématique du problème à N-corps. C'est ce que fait Constantin Tsiolkovski, un instituteur russe qui pose les bases théoriques des moteurs-fusées à réaction, de la mise en orbite, des fusées à étage, de la combustion d'ergols et des stations spatiales. Cependant il ne passera pas à la pratique. Ce sont d'autres pionniers comme Robert Goddard qui développeront les premières fusées à carburant liquide dans les années 1920. Ces engins pouvaient décoller à plusieurs mètres de haut.. À cette époque, Tsiolkovski est tombé dans l'oubli, et Goddard est moqué dans son pays, les États-Unis..
vignette|Robert H. Goddard posant avec sa fusée à ergols liquides en 1926. Les passionnés de technologie de l'époque se réunissent dans des sociétés astronautiques pour développer ces fusées, sur des financements privés grâce à des mécènes. Leur but est à terme d'atteindre l'espace, et leur fusées atteignent à l'époque plusieurs centaines de mètres d'altitude. En URSS, de telles sociétés se forment mais peinent à perdurer en raison des dissensions, de plus certains de leurs membres sont victimes des purges staliniennes, à l'image du jeune ingénieur Sergueï Korolev, qui est capturé et envoyé dans la prison de Boutyrka jusqu'en 1944..
C'est en Allemagne que se poursuivent les recherches sur la propulsion. La est une société astronautique fondée par Johannes Winkler à laquelle adhèrent entre autres Hermann Oberth et Wernher von Braun, alors que ce dernier n'est qu'étudiant. Hermann Oberth, comme Goddard, est un pionnier de l'astronautique. Il développe dans les années 1920 des prototypes de fusée ainsi que des ouvrages théoriques sur le voyage spatial. Ses idées sont mieux reçues et vont jusqu'à être testées pour la propulsion des voitures.. Cependant, l'arrivée du régime nazi au pouvoir en 1933 interdit toute recherche civile sur les fusées. Afin de poursuivre leurs travaux, les membres de la société astronautique rejoignent l'armée allemande..
C'est au sein de cette armée allemande que les plus gros progrès ont lieu. Cette dernière perçoit le potentiel militaire de ces technologies. Contrairement aux obus, qui sont propulsés momentanément par une explosion, un missile est un engin auto-propulsé. Ainsi, il peut devenir une arme d'une portée bien plus élevée que celle de l'artillerie alors utilisée à l'époque. L'Allemagne développe ainsi la gamme de missiles Aggregat dans l'objectif de bombarder ses ennemis sans envoyer d'aviation et sans nécessité de concevoir des canons d'artillerie démesurément grands. Le projet démarre par la conception de l (A1) en 1933 par Wernher von Braun, fraîchement sorti de sa société astronautique. Les projets vont jusqu'à l'A12, une fusée orbitale pouvant livrer une ogive n'importe où sur la planète..
Les nazis vont en pratique jusqu'au modèle A4, l'autre nom du missile V2, qui devient le premier missile balistique opérationnel lors de son premier usage pour le combat, le . Le , il devient également le premier objet à franchir la ligne de Kármán, située à d'altitude, devenant le premier engin spatial de l'histoire, même si cette limite conventionnelle n'existe pas encore à l'époque..
Course à l'espace
vignette|Tir de V2 américaine.
Récupération des V2 Après la fin de la Seconde Guerre mondiale, les troupes alliées découvrent les technologies allemandes, alors bien en avance sur leur temps., et parmi elles, les technologies du V2. Les grandes puissances veulent elles aussi à leur tour des missiles balistiques, alors que la guerre froide débute. Les alliés récupèrent tout ce qui est possible : documentation, technologie et ingénieurs allemands, et se lancent dans l'étude des V2 et le développement de missiles et de technologies de propulsion. Ainsi Wernher von Braun et Kurt Debus sont récupérés par l'armée américaine lors de l'.. L'URSS, de son côté, ne parvient à récupérer que des administrateurs allemands mais aucun ingénieur Robert Stone, Chasing the moon, American Experience Film, 2019. Elle libère les anciens ingénieurs des sociétés astronautiques, dont Sergueï Korolev.