Mars Express est le nom d'une mission spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA) lancée le 2 juin 2003, qui a pour objectif l'étude de Mars.
C'est la première mission de l'ESA de mise en orbite d'une sonde spatiale sur une autre planète que la Terre. Ce projet fait suite à la sonde Rosetta, dont Mars Express reprend les éléments principaux. Elle est elle-même à l'origine de Venus Express, sonde dont le lancement a eu lieu le 9 novembre 2005.
Mars Express Orbiter est l'orbiteur martien. Il se présente sous la forme d'un corps central en forme de boîte de dimensions 1,5 m × 1,8 m × 1,4 m. Sur une de ses faces est placée une antenne grand gain et sur deux autres, les deux panneaux solaires, hérités des satellites de télécommunication, d'une surface totale de 11,42 m.
Son poids au décollage était de 1 120 kg. La moitié de sa masse au lancement est réservée au carburant.
Concernant la propulsion, le voyage Terre-Mars a été assuré par le quatrième étage de son lanceur Soyouz, Fregat. Le moteur principal de la sonde, pouvant délivrer une poussée de 400 newtons, a servi à freiner Mars Express, pour lui permettre de se satelliser autour de Mars et de rejoindre son orbite de travail. Les corrections de trajectoire durant la phase de croisière sont effectuées par 8 fusées d'appoint, pouvant délivrer une poussée de 10 newtons. En cas de défaillance du moteur principal, les fusées pouvaient également être utilisées pour satelliser Mars Express, sans lui permettre d'atteindre son orbite de travail. Le développement des moteurs d'appoint a été réalisé dans le cadre de la mission Cluster.
La durée nominale de la mission était d'une année martienne, soit 687 jours terrestres, et elle devrait ainsi prendre fin le 30 novembre 2005. La mission peut cependant être prolongée d'une année martienne (jusqu'au 31 octobre 2007) supplémentaire, car un surplus de carburant a été emporté.
Le contractant principal de Mars Express est la société EADS Astrium, à Toulouse. Le lancement a été effectué par la société russo-européenne de commercialisation des lanceurs Soyouz, Starsem.
La charge utile de l'orbiteur est constituée de 7 instruments d'une masse totale de 116 kg} :
Beagle 2 est un module d'atterrissage. Depuis sa descente sur Mars le 25 décembre 2003 il n'a pu être contacté. Il a été déclaré définitivement perdu par la suite.
La salle de contrôle à l'ESOC.
Le contrôle de la mission est assuré par le Centre européen d'opérations spatiales (ESOC). La salle de contrôle, nommée « salle de contrôle des missions planétaires » (en anglais Planetary missions control room), est partagée avec les missions Rosetta et Vénus Express. L'équipe de contrôle est constituée d'un manager des opérations (Spacecraft Operations Manager), de 8 ingénieurs d'opérations (Spacecraft Operations Engineers), de 3 planificateurs (Mission Planners), d'un analyste (Spacecraft Analyst) et de 5 contrôleurs (Spacecraft Controllers) ; formée 4 ans avant le lancement, elle utilise le logiciel SCOS-2000. Celle-ci est secondée par plusieurs autres équipes chargées par exemple du support informatique ou du calcul de la trajectoire.
L'atterrisseur est contrôlé par l'agence spatiale Britannique au LOCC (Lander Operations Control Centre) depuis Leicester.
La sonde passe une partie de chaque orbite tournée vers Mars et une partie tournée vers la Terre pour transmettre à 230 kb/s les informations collectées (entre 0,5 et 5 Go par jour), comme Venus Express. Après 6 mois environ, les données scientifiques sont transmises au Centre européen d'astronomie (ESAC) et stockées dans le Mars Express science data archive. Les antennes utilisée pour communiquer avec la sonde sont celles de New Norcia, en Australie, et de Cebreros en Espagne ; toutes deux mesurant trente-cinq mètres de haut et étant conçues pour pouvoir communiquer avec les sondes les plus éloignées.
Le lancement eut lieu le 2 juin 2003 à 17 h 45 UTC, par un lanceur Soyouz doté d'un étage supérieur Fregat, depuis le Cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan.
Le 19 décembre 2003, le module Beagle 2 se sépare de la sonde.
Le 25 décembre 2003, l'orbiteur est mis en orbite autour de Mars.
Le 30 décembre 2003, l'orbite de la sonde est modifiée, conformément au plan de mission, d'une orbite équatoriale à une orbite quasi-polaire avec une inclinaison de 86°,et une altitude variant de 298 km à 10 107 km.
Le 23 janvier 2004, la sonde confirme l'existence d'eau sous forme de glace au pôle sud grâce aux instruments « Omega » et « Spicam ».
Lors de la conception de SHARAD, une version améliorée du radar MARSIS qui sera embarqué à bord de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), des simulations informatiques ont mis en évidence que le déploiement de MARSIS pourrait endommager la sonde en se déployant trop rapidement. Il a donc été décidé en avril 2004 de reporter la mise en service de MARSIS. Après enquête, le déploiement des 3 antennes radar constituant MARSIS se fait avec plus d'un an de retard, le 17 juin 2005. Mais après l'échec de nombreuses missions martiennes (Mars 96, Mars Climate Orbiter, Mars Polar Lander et Nozomi), l'ESA ne voulait prendre aucun risque avec une mission qui avait fait jusque-là un quasi-sans faute. Le radar a été mis en fonction le 19 juin et, après une période de tests, il devrait commencer ses premières véritables observations scientifiques le 4 juillet.
Le 13 septembre 2005, une commission d'enquête est créée pour faire la lumière sur la cause du mauvais fonctionnement du spectromètre PFS depuis plusieurs mois. Des vibrations de la sonde dues à son activité ont été avancées pour expliquer la cause du mauvais fonctionnement, sans pouvoir en déterminer l'origine avec précision.
Le 28 septembre 2005, l'ESA annonce une première prolongation de la mission de 687 jours, ce qui correspond à une année martienne . Une deuxième prolongation est annoncée le 28 février 2007, ce qui porte la fin de la mission à mai 2009. Une nouvelle prolongation est décidée en février 2009 pour repousser la fin de la mission à la fin de cette même année mais le 2 octobre 2009, le Comité de Programme Scientifique de l'ESA prolonge la mission MARS EXPRESS jusqu'au 31 décembre 2012.
Le 3 mars 2010, la sonde européenne est passé à 67 km de Phobos. L’objectif de ce passage à basse altitude était la mesure précise du champ de gravité très faible de Phobos.
En mars 2004, le spectromètre FPS détecte la présence de petites quantités de méthane dans l'atmosphère. La présence de ce gaz, qui a une durée de vie sur Mars de 440 ans s'il n'est pas renouvelé, est intrigante à plus d'un titre. Car il ne peut avoir que deux origines, volcanique et bactériene.