Le programme est une série de cinq sondes spatiales américaines lancées par la NASA entre 1966 et 1968 pour effectuer une cartographie du sol de la Lune afin de repérer les zones d'atterrissage des véhicules spatiaux du programme Apollo et compléter le travail effectué par les sondes lunaires Surveyor et Ranger. Les cinq vols sont couronnés de succès et 99 % de la surface de la Lune est cartographiée avec un pouvoir de résolution inférieur ou égal à et de l'ordre du mètre pour les photographies les plus précises. Le programme permet également de tester le système de télémétrie mis en place par la NASA, d'identifier et mesurer les anomalies du champ de gravité lunaire, de faire des mesures de la fréquence des micrométéorites et de l'intensité du rayonnement cosmique.
Les trois premières sondes ont pour objectif de photographier d'atterrissages potentiels présélectionnés par des observations effectuées depuis la Terre. Ces vols sont effectués sur des orbites de faible inclinaison. Les vols des quatrième et cinquième sondes sont consacrés à des objectifs scientifiques plus étendus et s'effectuent sur des orbites polaires à des altitudes élevées. Lunar photographie toute la face visible de la Lune ainsi que 95 % de la face cachée de la Lune tandis que Lunar complète la couverture de la face cachée et effectue des photographies de présélectionnées pour leur intérêt scientifique ou en tant que zone d'atterrissage potentielle pour le programme Apollo avec une résolution moyenne de et en haute résolution de .
Les sondes sont équipées d'un système photographique ingénieux composé de deux caméras, d'un système de développement, d'un balayeur et d'un système d'avancement de film. Les deux objectifs, un téléobjectif de à haute résolution () et un objectif grand angle de à moyenne résolution () font converger les images sur la même pellicule de . Les axes des deux objectifs sont placés de manière que les images fournies par le téléobjectif se situent dans la zone photographiée par le grand angle. Le film avance durant la prise de vue de manière à compenser la vitesse de déplacement de la sonde ; celle-ci est évaluée à l'aide d'un capteur électro-optique. Le film est développé, balayé analogiquement et les images sont ensuite envoyées vers la Terre.
Les sondes sont les premières à effectuer des photographies de la Terre entière vue de l'espace : les levers de Terre au-dessus de l'horizon lunaire sont photographiés par Lunar tandis que les photographies de la Terre entière sont prises par Lunar ..
Description de la sonde spatiale
Initialement, les sondes doivent être un dérivé de la sonde Surveyor sans rétrofusée ni train d'atterrissage NASA Une histoire du programme Lunar Orbiter chap 6-1, sur hq.nasa.gov.. Mais le retard pris par le programme Surveyor et le lanceur Atlas-Centaur nécessitent finalement un développement indépendant prenant en compte les capacités plus limitées du lanceur Atlas-Agena. La NASA fige le cahier des charges en , Boeing remporte l'appel d'offres en et signe avec la NASA le contrat définitif en Patrick Maurel, L'escalade du Cosmos, . Le développement est particulièrement rapide puisque la première sonde est placée en orbite environ deux ans plus tard. Huit sont construits, cinq destinés au vol et trois pour les essaisLe Progrès, ..
La sonde pèse et a une envergure de avec ses panneaux solaires et mâts déployés. Le corps de la sonde a la forme d'un cône tronqué haut de et de à la base dont l'armature est constituée d'un treillis de tubes métalliques. Les équipements de la sonde sont répartis sur trois .
L'équipement logé, à la base la plus large de la plate-forme de la sonde, comprend l'accumulateur, un transpondeur pour suivre la trajectoire de la sonde, le programmeur de vol, une centrale à inertie (IRU), un viseur d'étoiles et le système photographique. Le système de navigation utilise cinq capteurs solaires, le viseur d'étoiles pour Canopus, et la centrale à inertie équipée de son gyroscope. Sur cette plate-forme sont attachés quatre panneaux solaires carrés de tapissés chacun de cellules photovoltaïques, placés sur la face située à l'opposé du moteur principal. La production électrique totale de est stockée dans un accumulateur nickel-cadmium de pour permettre à la sonde de disposer d'électricité lorsque le Soleil est masqué par la Lune. Le programmeur de vol est du même type que celui des sondes Ranger, contient de mémoire permettant de programmer de prise de vues autonome. Il supervise également les poussées lors des changements de trajectoires.
À l'étage au-dessus se situe le moteur principal de de poussée destiné aux corrections de trajectoire et aux manœuvres orbitales, avec deux paires de réservoirs de carburant et de comburant (hydrazine et peroxyde d'hydrogène). Ces ergols étant hypergoliques, il n'y a pas de système de mise à feu. L'étage comprend également les capteurs solaires et un détecteur de micrométéorites.
Le troisième étage est constitué d'un bouclier de protection contre la chaleur générée par le moteur principal au milieu duquel émerge la tuyère. Quatre moteurs d'orientation de de poussée sont montés sur le périmètre du bouclier et fonctionnent en émettant des jets d'azote, prélevé sur le réservoir du moteur principal. Par défaut, la sonde est programmée pour rester orientée vers le Soleil, afin d'illuminer au maximum les panneaux solaires. Durant les prises de vues, une orientation temporaire permettant la photographie de la Lune est programmé, la sonde reprenant son orientation par défaut à la fin de celles-ci.
Les photographies sont transmises aux installations sur Terre par un émetteur-radio de utilisant une antenne à gain élevé de de diamètre situé au bout d'une perche de tandis que les autres communications utilisent un émetteur-radio de utilisant une antenne à faible gain omnidirectionnelle à l'extrémité d'une perche de . Les deux antennes fonctionnent en sur la fréquence . Le contrôle thermique est assuré par un film isolant multicouches de mylar et dacron appliqué sur une feuille d'aluminium qui entoure le corps de la sonde ainsi qu'à l'aide de peintures spéciales et de petits systèmes de chauffage.
Le système de prise de vue
Le système de prise de vue de la sonde est articulé autour de deux objectifs : un téléobjectif de de focale et un objectif grand angle de , photographiant à ouverture fixe de f/5.6 (le possède une ouverture maximale de f/2.8, non utilisée). L'obturateur peut fournir des temps d'exposition de 1/25, 1/50 et 1/100 de secondes. À un périgée d'orbite de , la sonde parcourt près de pendant la plus grande vitesse d'obturation. Pour atteindre la résolution maximale spécifiée de , le déplacement de la sonde est compensé par un système qui déplace le film pendant la prise de vue de manière à n'avoir aucun flou de bougé.
L'objectif de est destiné à des images de type « M » (moyenne résolution), couvrant à d'altitude avec une résolution d'environ . Le téléobjectif est destiné aux images de type « H » (haute résolution), couvrant à la même altitude une surface de avec une résolution de . Les deux objectifs sont déclenchés simultanément, et le téléobjectif est réglé de manière à photographier la région centrale (environ 5 % de la surface) cadrée par l'autre objectif. Le système peut prendre de 1 à de photographies en séquence. Cette séquence peut couvrir une surface continue de la Lune en cadençant les prises de vues de manière que les photos se recouvrent légèrement. Une autre possibilité de cadencement, et donc d'écart, entre les photos consiste à prendre des couples de photos stéréographiques avec un écart de perspective déterminé, permettant d'étudier le relief.
Les objectifs et le système de prise de vue sont contenus dans une enceinte ellipsoïdale en aluminium parfaitement close. Les deux objectifs photographient à travers des fenêtres en quartz, occultées par un volet qui ne s'ouvre que pendant la prise de vue. Ce volet permet de garder l'enceinte à une température la plus constante possible et à préserver l'obscurité pendant les phases de développement et de balayage des images.
Les photographies sont enregistrées sur un film Kodak SO-243 à grain extrêmement fin, correspondant à une sensibilité excessivement basse de . Cette sensibilité basse permet non seulement d'offrir une résolution très élevée, mais aussi d'absorber sans trop voiler le film les lumières parasites inévitables entrant - sur toute la longueur de la mission - dans l'enceinte photographique, ainsi que le rayonnement cosmique provenant d'une éruption solaire, évitant ainsi un coûteux blindage.
Ce film a une longueur de , sur une largeur de , permettant d'enregistrer plus de de photos lors d'une mission. Les photos correspondant à chaque objectif sont enregistrées sur le même film à des endroits différents, par un jeu de miroirs. Les bords du film sont pré-exposés avec des mires et des informations de calibration, permettant de calibrer les processus de restitution des photographies.
La pellicule est développée dans la continuité de la prise de vue, par le « process Bimat » de Kodak. Ce processus consiste à presser la pellicule exposée contre une autre pellicule imbibée d'une solution de développement PK-411. Le temps de contact doit être de l'ordre de quatre minutes. La pellicule développée est ensuite séchée et embobinée. Ce processus de développement, bien que pratique et rapide, n'est pas dépourvu d'inconvénients et est à l'origine d'un certain nombre d'artefacts dans les photographies de , provoqués par des bulles ou autres irrégularités de contact Kodak Bimat Transfer Processing System (Source : CIA, Kodak Bimat Transfer Processing System )
Balayage, transmission et reconstitution des photos
Un des principaux défis du programme est de retourner les photos vers la Terre. Une expédition physique des pellicules vers la Terre (comme cela se fait dans les années 1960 pour certains satellites d'observation terrestre) est beaucoup trop complexe et hasardeuse. De plus, il y a la nécessité de contrôler les prises de vue quasiment en temps-réel pour rétroagir sur les paramètres de prise de vue en cas de problème ou d'imprévu. La seule possibilité est de les transmettre par signal radio, tout en préservant la grande précision de prise de vue caractérisant cette mission.
Le processus de balayage des photographies peut avoir lieu dans la continuité du développement, entre deux prises de vues, ou être programmé plus tard en débobinant la pellicule, dans le sens inverse des photographies prises. Un point lumineux de de diamètre balaye la pellicule, dans le sens de la longueur du film, traçant une ligne de de longueur. Derrière le film, un tube photomultiplicateur convertit l'intensité lumineuse transmise par la pellicule en signal électrique analogique d'amplitude proportionnelle à la luminosité de l'image en ce point. La précision des divers matériels d'acquisition et de restitution permettent d'obtenir une résolution de l'ordre de sur cette ligne. Le signal correspondant à une ligne est transformé en trame d'un signal de type vidéo, et le processus est répété sur toute la largeur utile du film, soit , à raison de par mm.
Il n'y a pas de matériel d'enregistrement du signal vidéo à bord de la sonde, et ce signal est donc transmis vers la Terre immédiatement, en temps-réel, à la vitesse de . Cette mince bande de film, de est l'unité minimale de balayage, et de reconstitution des photographies, appelée « framelet ». Le film est ensuite avancé de , permettant aux framelets de se recouvrir légèrement, et le balayage continue avec un autre framelet. Une paire de photos nécessite . La vitesse de balayage et de transmission est de par framelet, soit pour une paire de photographies.