L'exploration de la planète Neptune et ses satellites n'a été réalisée que par la sonde spatiale . La trajectoire de la sonde spatiale a été optimisée pour lui permettre de passer à quelques milliers de kilomètres de la planète à faible distance de sa plus grosse lune Triton en 1989. L'envoi d'une nouvelle mission d'exploration vers cette planète, d'un cout très élevé compte tenu de son éloignement, n'est pas envisagé avant la fin de la décennie 2020.

Une planète mal connue et d'accès difficile

Neptune est la huitième et dernière planète du système solaire par distance croissante au Soleil. Neptune tourne autour du Soleil à une distance d'environ (1 U.A. = distance entre la Terre et le Soleil) soit de kilomètres. Elle parcourt une orbite entière en . On sait peu de choses de l'histoire de sa formation, de ses satellites et de la structure interne de Neptune ; celle-ci est très différente de celle de Jupiter et de Saturne qui sont composées à 90 % d'hydrogène alors que celle de Neptune n'en contient pas plus de 20 %. Neptune dispose d'une lune géante Triton qui abrite sans doute un océan liquide souterrain susceptible d'abriter la vie.

Une seule mission a réussi jusque-là à s'approcher de Neptune, la sonde . Mais celle-ci n'a effectué qu'un survol très rapide de la planète et de ses satellites car une mise en orbite aurait nécessité d'emporter une masse importante d'ergols. Le survol ne lui a permis de collecter qu'un nombre limité d'informations. Neptune comme sa voisine Uranus n'ont, depuis, plus jamais été visitées et elles sont désormais les planètes les moins connues du système solaire.

Pour obtenir plus d'informations il faudrait envoyer une sonde spatiale capable de se placer en orbite autour de la planète comme l'a fait Cassini-Huygens autour de Saturne. Mais cela nécessiterait de lancer un engin spatial beaucoup plus massif que qui a pourtant eu recours à l'époque à un lanceur lourd et bénéficié d'un alignement de planètes exceptionnel qui lui a permis d'utiliser à la fois Jupiter et Saturne pour accroitre sa vitesse grâce à une manœuvre d'assistance gravitationnelle. Malgré sa masse réduite a mis pour atteindre Neptune. En utilisant une trajectoire optimale, l'orbite de transfert de Hohmann, telle que celle mise en œuvre par les sondes spatiales envoyées vers Mars et Vénus, il faudrait pour qu'un engin spatial atteigne Neptune. Si on tente d'accroitre la vitesse de transit entre la Terre et Neptune il faut que la sonde spatiale emporte d'autant plus d'ergols pour annuler ce surcroit de vitesse une fois arrivée à destination.

Le survol de Voyager 2

est la première sonde spatiale et la seule, à avoir survolé la planète géante gazeuse Neptune (environ de diamètre). La trajectoire à travers le système planétaire de Neptune est mise au point une fois le survol d'Uranus et de ses lunes achevé. Comme il doit s'agir du dernier passage de près d'une planète, il n'existe pas de contraintes sur la manière de sortir du système planétaire et plusieurs choix sont possibles : l'équipe sur Terre opte pour un passage à faible distance du pôle nord de Neptune ce qui permettra d'utiliser l'assistance gravitationnelle de la planète pour faire plonger la sonde sous l'écliptique pour un survol rapproché de Triton, la principale lune de Neptune. L'éloignement de Neptune diminue encore le débit théorique permis par la liaison radio. Aussi plusieurs mesures sont prises dans les années qui précèdent le survol pour renforcer le réseau d'antennes à Terre, notamment l'accroissement de la taille des antennes de réception existantes, la mise en service d'une nouvelle antenne parabolique géante à Usuda au Japon et le recours au au Nouveau-Mexique..

Les premières observations sont effectuées à partir de soit avant le passage au plus près de Neptune et près de après le survol d'Uranus. Elles permettent de découvrir les anneaux de Neptune dont l'existence n'avait jusque-là jamais été prouvée : ils sont composés de particules très fines qui ne permettent pas leur observation depuis la Terre. Un champ magnétique nettement plus faible que celui d'Uranus est détecté et mesuré. Au cours de la traversée du système neptunien, lunes, de petite taille, sont découvertes (une dixième sera découverte plus tard sur des photos prises par la sonde). Compte tenu de l'éloignement de , il fut difficile d'envoyer à temps de nouvelles instructions pour l'observation de ces nouveaux corps célestes. Seule Protée ( de diamètre) fut découverte suffisamment tôt pour programmer des observations détaillées.

Le survol de Neptune a lieu le : passe à () du pôle nord de la planète. L'atmosphère de Neptune est analysée. Malgré le peu d'énergie reçue du Soleil du fait de son éloignement (3 % de ce que reçoit Jupiter), une dynamique atmosphérique est observée avec des manifestations comme la « Grande Tache sombre » et des nuages. Des vents soufflant à sont mesurés. L'étude du champ magnétique permet de déterminer que la durée d'une rotation est de .

passe à de Triton et peut recueillir des données très précises sur cette lune. La communauté scientifique estimait à l'époque que son diamètre était compris entre ; la sonde permet de ramener ce chiffre à . Très peu de cratères sont observés ce qui est expliqué par le volcanisme dont des manifestations sous forme de traces laissés par des geysers sont observées au pôle. Une atmosphère ténue (pression de soit de celle de la Terre) résultant sans doute de cette activité est détectée par . La température de la surface mesurée, 38 K, est la plus froide jamais détectée sur un corps céleste du Système solaire.

Missions étudiées

À la suite du survol par Voyager 2 plusieurs missions vers Neptune ont été étudiées mais aucune n'a jusqu'à présent débouché sur une réalisation. Depuis 2003 la NASA a étudié plusieurs projets de mission tentant de contourner les contraintes dues à la distance en combinant l'assistance gravitationnelle des autres planètes (notamment de Jupiter) avec le recours à des systèmes de propulsion non conventionnels (propulsion électrique) et l'aérocapture qui permet de se placer en orbite en utilisant l'atmosphère de la planète pour se freiner.

Réutilisation de la plateforme Mariner Mark II (1991)

En 1991 la NASA étudie une mission utilisant une plateforme Mariner Mark II similaire à celle utilisée par Cassini Huygens et envisagée pour la mission CRAF. Elle doit emporter une sonde atmosphérique similaire à celle larguée par Galileo dans l'atmosphère de Jupiter. La mission qui doit être lancée en 2002 par une fusée lourde doit atteindre Neptune en 2021 après avoir survolé successivement Vénus, la Terre et Jupiter pour accroitre à chaque fois sa vitesse. Le projet ne dépasse pas le stade de l'étude.

Projet Promotheus (2002-2005)

La NASA après avoir étudié de manière approfondie l'utilisation d'un moteur utilisant l'énergie produite par un réacteur nucléaire (projet NERVA) avait abandonné ses recherches pour des raisons de cout, de complexité et à cause de la mauvaise image du nucléaire dans l'opinion publique. En 2002 l'agence spatiale décide de réactiver les études sur le sujet dans le cadre du rebaptisé par la suite Projet Prométhée. L'objectif principal est d'explorer les planètes externes avec des sondes spatiales combinant réacteur nucléaire et propulsion électrique. La première mission baptisée JIMO doit étudier Jupiter et ses satellites. La taille de la sonde spatiale dépasse tout ce qui a été développé jusque-là : et une longueur de à comparer aux de Cassini, la plus importante sonde spatiale lancée jusque-là. Le réacteur nucléaire, d'une puissance de , fournit et permet de s'affranchir de panneaux solaires inefficaces à grande distance du Soleil. La sonde spatiale emporte 8 à de xénon qui sont utilisées par huit moteurs ioniques dotées d'une impulsion spécifique de à . Pour explorer Neptune, la mission Prométhée-N reprend les mêmes caractéristiques que JIMO. La sonde spatiale emporte d'instrumentation scientifique et deux sondes atmosphériques d'une masse unitaire de (dont d'instrumentation) chargées d'étudier in situ l'atmosphère de Neptune. Le lancement était prévu en 2016 et après avoir survolé Jupiter en 2020 et bénéficié de son assistance gravitationnelle, la sonde spatiale devait atteindre Neptune en 2029. Après avoir largué les deux sondes atmosphériques, Neptune devait se placer en orbite autour de la planète géante puis se mettre en orbite autour de sa lune Triton. Le avait même envisagé d'embarquer un petit atterrisseur de chargé d'atterrir à la surface de Triton et de prélever pour l'étudier une carotte de son sol glacé. Le projet Promotheus reposait sur une technologie très ambitieuse et le budget envisagé est de en excluant les couts de mise au point du réacteur nucléaire. Rencontrant une forte opposition dans la communauté scientifique et remis en cause par le lancement du programme Constellation le projet de sonde spatiale à propulsion nucléaire est abandonné en 2005 .

Mission utilisant l'aérocapture

A la même époque que JIMO, les principaux établissements de la NASA présentent conjointement un projet de sonde spatiale reposant sur l'aérocapture. Comme dans le cas des missions Promotheus, la sonde spatiale dispose d'une propulsion électrique mais l'énergie est fournie par des panneaux solaires de grande taille. Arrivé à proximité de Neptune la sonde spatiale plonge dans son atmosphère pour réduire sa vitesse qui est à l'arrivée de 28 à , puis après avoir subi une violente décélération culminant à , se placer en orbite autour de la planète. Durant la phase de freinage la sonde spatiale est protégée par un bouclier thermique de forme elliptique enveloppant l'engin. Ce bouclier résultait d'études effectuées par la NASA pour poser des charges lourdes sur le sol martien. La sonde spatiale emporte deux sondes atmosphériques et durant sa mission scientifique effectue au moins de Triton à moins de . L'orbiteur qui a une masse réduite alors à communique avec la Terre à l'aide d'une antenne parabolique de qui est déployée une fois la sonde spatiale en orbite. Deux générateurs à radio-isotopes de type MMRTG fournissent l'énergie nécessaire. La technique de l'aérocapture permet d'augmenter de 40 % la charge utile et de réduire le temps de transit de 3 à . La sonde d'une masse de devait être lancée en 2015 ou 2018 par une fusée et atteindre Neptune plus tard après avoir bénéficier de l'assistance gravitationnelle de Jupiter T. R. Spilker, A. P. Ingersoll, « », , 36, 2004, p. 1094..

Projet ODINUS de l'agence spatiale européenne

Une équipe de scientifiques propose pour les missions scientifiques à cout élevé L2 et L3 de l'Agence spatiale européenne le projet ODINUS () est proposé. ODINUS comprend deux sondes spatiales lancées vers Uranus et Neptune. Chaque sonde spatiale a une masse à sec de 500 à et utilise une propulsion chimique et électrique. La durée du transit est respectivement de 13 et . La proposition est classée troisième lors de l'évaluation des différents projets proposés. Odinus reposait sur le développement par l'agence spatiale européenne d'un générateur à radio-isotope, projet resté jusque-là sans suite.

Projets de mission à gros budget de la NASA étudiés durant la décennie 2010