Explorer 1 (officiellement 1958 Alpha 1) est le premier satellite artificiel placé en orbite par les États-Unis, qui devient la 2e nation à mettre en orbite un satellite par ses propres moyens. Il est lancé le 1er février 1958 par un lanceur Juno I depuis la base de lancement de Cap Canaveral en Floride. Le lancement d'un satellite est programmé initialement pour l'Année géophysique internationale de 1957-1958. Cet objectif se transforme en un enjeu national lorsque l'Union soviétique parvient à devancer les États-Unis en mettant en orbite le premier satellite artificiel Spoutnik 1 le 4 octobre 1957, des problèmes de mise au point ayant retardé le premier vol du lanceur américain Vanguard désigné pour ce lancement dès 1955.
Les ingénieurs de Wernher von Braun travaillant à l'Agence de missile balistique de l'armée de terre (ABMA) et du Jet Propulsion Laboratory relèvent le défi en mettant au point à la fois le lanceur et le satellite en moins de 90 jours. Le principal instrument scientifique conçu par James Van Allen emporté par ce petit satellite de quelques kilogrammes est chargé de détecter le rayonnement cosmique. Il fournit des résultats anormaux qui sont expliqués quelques mois plus tard par la présence de ceintures de radiation autour de la Terre, lesquelles prennent le nom du scientifique.
Année géophysique internationale et décision du lancement d'un premier satellite
Au XIXe siècle, l'exploration des régions polaires de la Terre est effectuée initialement par des expéditions sous drapeau national (Royaume-Uni, Norvège...). Toutefois, à l'initiative des nations scandinaves, un ensemble coordonné de missions d'exploration rassemblant des chercheurs de plusieurs pays et baptisé Année polaire internationale, est organisée en 1882-1883. Cet événement est répété en 1932-1933 et une troisième édition en 2007-2008. Le 5 avril 1950, plusieurs scientifiques de premier plan dont Lloyd V. Berkner, Sydney Chapman, Fred Singer, et Ernest Harry Vestine, se réunissent dans la maison du professeur James Van Allen, spécialiste du rayonnement cosmique. Ces scientifiques, qui disposent de nombreuses relations dans les sphères académiques gouvernementales, estiment que, compte tenu des avancées dans le domaine des équipements permettant l'étude de la Terre tels que les fusées, les radars et les moyens de calcul, un événement scientifique de même type doit être organisé sans attendre. Ils proposent d'étendre le périmètre d'investigation à l'ensemble de la Terre pour en faire une année géophysique internationale. Berkner et Chapman soumettent cette proposition au Conseil international des unions scientifiques (ICSU) dont le rôle est de coordonner les recherches scientifiques des différents pays. Ils suggèrent qu'une Année géophysique internationale soit organisée en 1957-1958, car cette période correspond à un maximum de l'activité solaire.
À l'époque, la guerre froide oppose l'Union soviétique et ses alliés aux pays occidentaux. Mais la mort de Joseph Staline en 1953 entraîne une légère détente et les pays du bloc de l'est décident de participer. Les scientifiques décident que, pour couronner cet événement, des satellites artificiels soient placés en orbite pour y collecter des données scientifiques. Le projet rassemble 60 000 scientifiques et 66 pays. Pour marquer l'événement, les deux superpuissances de l'époque proposent en 1954 de placer à cette occasion un satellite artificiel autour de la Terre. Le concept de satellite artificiel est ancien mais c'est seulement au cours des deux dernières décennies, que, sous l'impulsion de l'Allemagne nazie (missile V2) puis des deux superpuissances (développement de missiles balistiques), les avancées techniques permettent d'envisager sa mise en œuvre. L'objectif annoncé est entériné le 4 octobre 1954 par le comité organisateur de l'année géophysique internationale qui encourage tous les pays à y participer. Aux États-Unis, le lancement d'un satellite est approuvé par le comité national de l'année géophysique internationale réuni le 18 mai 1955. Bien avant cet événement, la conception d'un tel satellite est étudiée par la RAND Corporation et le bureau aéronautique de l'aéronavale américaine (US Navy), donnant lieu à des rapports publiés dès 1946. Mais pour lancer ce satellite, il faut d'abord disposer d'un lanceur capable de l'accélérer suffisamment, plus de 7 km par seconde, pour qu'il reste en orbite.
En Union soviétique, le programme spatial est à cette époque entièrement géré par l'OKB 1 sous la direction de Sergueï Korolev et constitue en fait un prolongement du programme de missile balistique intercontinental lourd Semiorka en cours de développement pour les forces militaires. Il n'en va pas de même aux États-Unis en 1954. Les trois corps de l'armée américaine (armée de l'air (US Air Force), armée de terre (US Army) et l'aéronavale (US Navy) ont chacun des programmes de missiles balistiques. Par ailleurs, des scientifiques, comme James Van Allen de l'université de l'Iowa, utilisent des fusées-sondes, dérivées des travaux sur les missiles, de plus en plus puissantes pour explorer la haute atmosphère.
Projet Orbiter de Wernher von Braun
À l'époque, le centre de recherche Jet Propulsion Laboratory, qui a acquis une forte expertise dans la propulsion des fusées, leur guidage et leur suivi, est rattaché à l'armée de terre et conçoit pour celle-ci des missiles balistiques à courte portée. L'un de ses responsables, William Hayward Pickering, un ingénieur néo-zélandais devenu un spécialiste des télémesures (guidage et contrôle des fusées) est à la tête du programme de missile sol-sol Corporal. Travaillant sur la base de White Sands, il y fait la connaissance de James Van Allen qui utilise des fusées V2 mises à sa disposition par Wernher von Braun pour lancer des expériences scientifiques dans la haute atmosphère. En 1954, l'équipe de von Braun, qui dirige les ingénieurs de l'Agence de missile balistique de l'armée de terre (ABMA) située Huntsville en Alabama, propose d'utiliser le missile balistique à courte portée Redstone qu'il développe surmonté par un assemblage de propulseurs à propergol solide pour en faire un lanceur et placer un satellite artificiel en orbite. Selon ses calculs, le projet peut aboutir dès septembre 1956. Wernher von Braun envoie au JPL, avec lequel il souhaite travailler, le détail de cette proposition baptisée Project Orbiter. En retour, Pickering suggère d'utiliser des fusées Recruit pour les étages supérieurs et d'installer un émetteur radio en cours de développement dans son établissement. Van Allen de son côté tente d'obtenir l'appui des responsables américains à Washington, D.C..
Mais ce projet de l'armée de terre n'est pas le seul en course pour lancer un satellite artificiel. Le Naval Research Laboratory (NRL) propose d'utiliser le Vanguard, un nouveau lanceur consacré à la recherche scientifique dont le second étage est une fusée-sonde Aerobee fournie par le JPL tandis que l'armée de l'air propose son missile balistique intercontinental Atlas. Ces deux lanceurs sont toutefois à un stade de développement très peu avancé. Le secrétariat à la Défense nomme en août 1955 un comité pour sélectionner un des trois projets. Ce comité est composé de deux représentants de chacune des trois armes et est dirigé par Homer Stewart, un professeur de Caltech (California Institute of Technology) également responsable d'une des divisions du JPL. Bien que le projet Orbiter soit le plus abouti, c'est le projet Vanguard proposé par le laboratoire de l'aéronavale américaine (NRL) qui l'emporte par cinq voix contre deux pour le projet Orbiter. Ce choix reflète la volonté du président américain, Dwight D. Eisenhower, de ne pas associer le programme spatial à une arme. Quelques jours plus tard, cette décision est confirmée et l'équipe de von Braun se voit interdire toute tentative de lancement de satellite.
Développement d'Explorer 1 et du lanceur Juno I
À l'automne 1955, l'armée de terre demande au JPL de l'assister dans la mise au point des têtes militaires des missiles balistiques intercontinentaux. Celles-ci sont soumises lors de leur rentrée atmosphérique à très grande vitesse à des températures de plusieurs milliers de degrés. Wernher von Braun est chargé de tester le recours à un revêtement en fibre de verre qui se sublimerait durant cette phase de vol tout en protégeant la tête militaire. Pour effectuer ces tests, le montage proposé pour le projet Orbiter est utilisé. Le JPL fournit les étages supérieurs (fusées Recruit) ainsi qu'un réseau de stations de poursuite baptisé Microlock qu'il déploie à cette occasion et qui est chargé de recueillir les données transmises par radio par le missile. Le missile ainsi obtenu est baptisé Jupiter-C (pour Jupiter Composite Reentry Test Vehicle). Le premier test est effectué en septembre 1956. Pour éviter que la fusée ne place en orbite le dernier étage, celui-ci est rempli avec du sable au lieu de propergol solide. Dès son premier essai, la charge utile s'élève jusqu'à 5 391 km établissant un nouveau record d'altitude. Deux mois plus tard, le secrétariat à la Défense, qui veut empêcher qu'un nouveau test n'aboutisse à une mise en orbite qui précéderait le programme Vanguard, envoie un mémo à l'armée de terre, l'employeur de von Braun, interdisant tout essai de missile dont la portée excède 320 kilomètres.