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Dans les années 1970, 1980 et au début des années 1990, la NASA a concentré l'expertise du JPL sur de grandes missions spatiales complexes et uniques. Cette époque a produit les "Voyager" vers les planètes extérieures, les "Viking" vers Mars (en partenariat avec le Langley Research Center de la NASA), la mission "Galileo" vers le système Jupiter (en partenariat avec le centre de recherche Ames de la NASA) et "Cassini-Huygens" vers le système Saturne (en partenariat avec l'Agence spatiale européenne et l'Agence spatiale italienne). Ces vaisseaux spatiaux légendaires ont propulsé l'humanité à travers le système solaire, nous permettant d'examiner de près les planètes et leurs satellites.
Les débuts du JPL remontent au milieu des années 1930, lorsque quelques étudiants de Caltech et amateurs de fusées ont commencé à bricoler des fusées. Après une explosion involontaire survenue sur le campus, le groupe et ses expériences ont déménagé dans une zone isolée à côté des montagnes de San Gabriel, le site actuel du JPL. Au cours de la décennie suivante, alors qu'un pays inquiet cherchait à répondre au défi menaçant des fusées allemandes V-2, le tout nouveau Jet Propulsion Laboratory (officiellement nommé en 1944, quelques 14 ans avant la création de la NASA) a été parrainé par l'armée américaine pour développer la technologie des fusées et les systèmes de missiles dites "Corporal" et "Sergeant".
Les premières années de l'exploration spatiale ont été alimentées par la guerre froide. L'Union soviétique a remporté le premier tour en octobre 1957 en plaçant Spoutnik en orbite terrestre. Le son "bip-bip" transmis par le satellite a été nerveusement entendu dans le monde libre, et la pression a augmenté pour que les États-Unis répondent. En moins de trois mois, le JPL avait construit
Explorer 1, lancé en janvier 1958 pour devenir le premier satellite américain. Même ce premier vaisseau spatial a fait une découverte scientifique importante: il a détecté ce qui allait devenir les ceintures de rayonnement de Van Allen encerclant la Terre, du nom de James Van Allen, le scientifique qui a conçu l'instrument principal sur Explorer 1.
La NASA (National Aeronautics and Space Administration) a été fondée en octobre 1958 et le JPL a été transféré de l'armée à la nouvelle agence. Le passage de l'armée à la NASA a également marqué un autre changement. Le Laboratoire a commencé à reporter son attention des fusées elles-mêmes vers les charges utiles qu'elles transportaient. Le développement de ces charges utiles - vaisseaux spatiaux scientifiques - deviendrait le nouveau centre d'intérêt et placerait le JPL au centre de la course à l'espace avec l'Union soviétique.
Même si la charte du Laboratoire avait complètement évolué loin des fusées et des jets, "Jet Propulsion Laboratory" était devenu le nom officiel et a été conservé. Un autre moment déterminant est survenu en 1962, lorsque Mariner 2, construit par JPL, a survolé Vénus pour devenir le premier vaisseau spatial au monde à observer avec succès une autre planète. C'est ainsi qu'a commencé une longue série de «toutes premières» réalisations du JPL qui ont aidé à définir les cinq premières décennies d'exploration spatiale de l'histoire. Le JPL occupe une position unique au sein de la famille NASA. Depuis son transfert à la NASA, le JPL a été structuré comme un FFRDC (Federally Funded Research and Development Center) dédié à l'exploration robotique de l'espace. Le laboratoire est le seul FFRDC de la NASA et travaille aux côtés des neuf autres centres de la NASA. Cependant, contrairement à ces centres, qui sont dotés de fonctionnaires, le JPL est géré pour la NASA par Caltech dans le cadre d'un accord contractuel commencé en 1958 et renouvelé tous les cinq ans. Ainsi, les membres du JPL sont des employés de Caltech.