Mariner 10 est la dernière mission spatiale du programme Mariner de l'agence spatiale américaine, la NASA. Elle est la première sonde spatiale destinée à l'étude de Mercure. Son objectif principal est l'étude de sa surface, de sa structure interne et de son environnement (exosphère, champ magnétique).
Mariner 10 effectue la première exploration de deux planètes (Vénus puis Mercure) au cours d'une même mission ; elle est la première sonde à utiliser l'assistance gravitationnelle d'une planète (Vénus) pour modifier sa trajectoire de vol ; la première à s'approcher aussi près du Soleil ; la première à revenir vers une planète, Mercure, après la première rencontre avec elle, et enfin la première à utiliser la poussée du vent solaire pour contrôler son orientation.
Le système de contrôle d'attitude de la sonde ayant eu une défaillance en cours de mission, les ingénieurs décidèrent d'utiliser la pression des photons arrivant sur les panneaux solaires pour maintenir l'orientation de la sonde, en limitant ainsi la quantité de carburant nécessaire pour permettre aux propulseurs d'effectuer les corrections d'orientation.
Mariner 10 survole trois fois Mercure en suivant une orbite héliocentrique rétrograde. Elle fournit des données sur la planète et les premières images rapprochées de Mercure et de Vénus. Les principaux objectifs scientifiques de la mission ont été de mesurer des caractéristiques de l’environnement, de l’atmosphère, de la surface et du centre de la planète Mercure et de mener des recherches similaires lors du passage près de Vénus. Les objectifs secondaires étaient de réaliser des expériences dans le milieu interplanétaire et d'acquérir de l'expérience en matière d'utilisation de l'assistance gravitationnelle lors du survol d'une planète (Vénus) pour pouvoir en atteindre une autre (Mercure).
Les coûts de recherche, de développement, de lancement et de contrôle de la mission Mariner 10 s'élèvent à 100 millions de dollars américains.
Mariner 10 est la dernière sonde du programme Mariner consacrée à l'exploration des planètes inférieures du Système solaire dont la première mission, Mariner 1, est lancée en 1962. Ce programme est suivi par le programme Voyager destiné à l'exploration des planètes supérieures du Système solaire. La mission Mariner 10 doit son existence aux progrès effectués dans le domaine de la mécanique spatiale et plus particulièrement dans celui de l'assistance gravitationnelle. Celle-ci permet à une sonde spatiale de modifier sa vitesse et sa trajectoire sans consommer de carburant en effectuant un survol à faible distance d'une planète. Ce concept, évoqué dans la littérature des années 1920-1930, est pris en considération à partir des années 1950. Son utilisation fait pour la première fois l'objet d'une étude détaillée au début des années 1960 par le Jet propulsion Laboratory (JPL) pour une mission aller-retour entre la Terre et la planète Vénus. Le JPL met au point à l'époque des outils mathématiques permettant d'identifier des trajectoires exploitant l'assistance gravitationnelle qui sont ensuite convertis en programmes informatiques. Les chercheurs du JPL découvrent ainsi l'existence de deux opportunités de mission Terre-Vénus-Mercure exploitant l'assistance gravitationnelle en 1970 et 1973. Des plans détaillés et une stratégie de navigation sont définis pour la fenêtre de lancement de 1970. Début 1970, Giuseppe Colombo de l'Institut de mécanique appliquée de Padoue en Italie, invité au JPL dans le cadre d'une conférence sur une éventuelle mission Terre-Vénus-Mercure en 1973, fait observer que la périodicité de l'orbite du véhicule spatial après son survol de Mercure est presque exactement le double de la périodicité de Mercure ce qui permet un deuxième survol. Cette hypothèse est confirmée par la suite par le JPL.
En juin 1968, le bureau des Sciences Spatiales de l'Académie nationale des sciences des États-Unis produit un rapport sur les missions d'exploration du Système solaire qui recommande l'envoi d'une mission vers Mercure tout en suggérant certains des équipements scientifiques à embarquer. La NASA prend en compte les conclusions de ce rapport et décide en 1969 de programmer la mission pour 1973. Un comité de scientifiques est constitué par la NASA pour définir des objectifs scientifiques pertinents et sélectionner les instruments embarqués. La structure projet est mise en place en janvier 1970 au JPL. En juillet 1971, Boeing est sélectionné pour la conception et la fabrication de deux exemplaires de la sonde dont un doit être utilisé pour effectuer les essais.
Description de la sonde spatiale
Les caractéristiques de Mariner 10 sont en grande partie communes avec celles des sondes spatiales du programme Mariner qui l'ont précédé. La structure de la sonde spatiale est constituée d’une plate-forme de forme octogonale en magnésium et à huit compartiments électroniques. Elle mesure 1,39 m en diagonale et 0,457 m de profondeur. Deux panneaux solaires, chacun d'une longueur de 2,69 m et d'une largeur de 0,97 m, sont fixés au sommet, supportant 5,1 m2 de surface de cellules photovoltaïques. Totalement déployé, le véhicule spatial mesure 8 m de diamètre avec les panneaux solaires et 3,7 m du haut de l'antenne à faible gain jusqu'au bas de l'écran thermique. Le magnétomètre se trouve au bout d'une perche à charnière de 5,8 m de long depuis l'un des côtés octogonaux de la structure. La masse totale au lancement est de 502,9 kg, dont 29 kg d'hydrazine utilisée par les propulseurs pour effectuer des corrections de trajectoire et 79,4 kg d'instruments scientifiques.
Les accumulateurs, les capteurs solaire et stellaire, le système de télécommunications en bande S, la télémétrie, l'antenne à haut gain et les deux antennes à faible gain, le support mobile permettant d'orienter les instruments scientifiques vers la planète. Des modifications sont apportées pour permettre à la sonde spatiale de résister à l'intensité du rayonnement solaire qu'elle doit subir au cours de sa mission vers la planète Mercure. Pour maintenir la température dans des limites acceptables, la sonde dispose d'un pare-soleil, de protections thermiques renforcées et d'une plate-forme de numérisation avec deux degrés de liberté est montée sur le pare-soleil ; l'orientation des panneaux solaires peut être modifiée pour permettre de maintenir leur température en dessous de 115 °C. Le débit du système de télécommunications est renforcé et permet de transmettre des images à 118 kilobits par seconde.
Le moteur-fusée est un moteur à hydrazine monergol liquide de 222 N de poussée situé sous un réservoir sphérique de propergol monté au centre de l'ossature. La tuyère dépasse à travers un pare-soleil. Deux ensembles de trois paires de jets de diazote à réaction orthogonale, montés sur les extrémités des panneaux solaires, sont utilisés pour stabiliser le véhicule spatial sur trois axes. Le commandement et le contrôle incombent à un ordinateur de bord avec une mémoire de 512 mots complétée par des commandes au sol.
Mariner 10 est équipé d'une antenne parabolique motorisée à haut gain, d'un réflecteur parabolique à disque en nid d'abeille en aluminium de 1,37 m de diamètre, qui est monté sur une perche du côté du véhicule spatial. Une antenne omnidirectionnelle à faible gain est montée au bout d'une perche de 2,85 m partant du pare-soleil de la sonde spatiale. Les flux permettent au véhicule spatial de transmettre aux fréquences des bandes S et X ; les données peuvent être transmises à un débit maximal de 117,6 kilobits/s. La sonde embarque un viseur de l'étoile Canopus, situé sur la structure annulaire supérieure de la plate-forme octogonale, et des capteurs solaires d'acquisition sur les sommets des panneaux solaires. L'intérieur du véhicule spatial est isolé avec des couvertures thermiques multicouches en haut et en bas. Le pare-soleil est déployé après le lancement pour protéger la sonde spatiale du côté orienté vers le Soleil. Les persiennes de cinq des huit compartiments électroniques permettent également de contrôler les températures intérieures.