Le programme Mars était une série de missions spatiales de l'Union soviétique dont les sondes avaient pour objectif l'étude de la planète Mars. C'est Sergueï Korolev, père de la conquête spatiale soviétique, qui lança le programme au début des années 1960 avec la sonde Mars 1. Au total, sept sondes furent lancées, dont six au début des années 1970. Quatre sondes atteignirent leur objectif, mais aucune d'entre elles n'apporta les résultats escomptés. On doit cependant au programme Mars le premier atterrissage réussi sur la « planète rouge » le avec le module d'atterrissage de Mars 3.
Premières missions martiennes (1960) : le programme Marsnik
Une conférence, qui a eu lieu en 1956 à l’université de Léningrad, effectue un état des lieux des connaissances concernant la Lune et les planètes du système solaire dans le nouveau contexte qu’ouvre l’ère spatiale. Peu après le lancement de Spoutnik 1, l’équipe de son concepteur Serguei Korolev qui est également à l’origine du lanceur Semiorka et développe les premières sondes lunaires commence à travailler sur les premières sondes à destination de Mars (type 1M) et de Vénus (type 1V). Korolev a prévu de lancer des missions vers Mars dès aout 1958 et vers Vénus dès . L’Académie des sciences d'Union soviétique est chargée de réaliser les calculs des trajectoires. Mais les problèmes rencontrés par les sondes lunaires soviétiques imposent de repousser les lancements. Une nouvelle version du lanceur Semiorka, connue sous le nom Molnia d’après les satellites de télécommunications qu’elle était chargée de lancer, est retenue pour placer en orbite les futures sondes spatiales. Les sondes spatiales de type 1M et 1V sont d’emblée des engins d’une grande sophistication, stabilisés 3 axes grâce à des viseurs d’étoiles et des gyroscopes. Korolev envisage à l’époque que les sondes larguent des atterrisseurs effectuant un atterrissage en douceur à la surface. En l’absence de données sur la composition, la densité et le profil vertical de l’atmosphère des planètes, les ingénieurs doivent se reposer sur les données collectées jusque-là par les astronomes. Celles-ci sont peu précises : ainsi les ingénieurs partent de l’hypothèse erronée d’une atmosphère de Mars dense. Pour tenir compte de ces incertitudes, il est décidé de lancer plusieurs sondes spatiales qui effectueront un simple survol de reconnaissance destiné à préciser les caractéristiques de l’atmosphère suivies par l’atterrisseur proprement dit. À l’époque les soviétiques ne disposent pas de moyens (soufflerie, …) permettant de reproduire les conditions rencontrées par la sonde spatiale durant sa rentrée atmosphérique. On tente d’effectuer des simulations en lancant des maquettes de l’atterrisseur avec des fusées-sondes R-11A. Mais finalement Korolev renonce à lancer un atterrisseur en 1960.
Les instruments de la première sonde martienne comprennent en un magnétomètre, un radiomètre infrarouge, un détecteur de particules chargées, un détecteur de micro-météorites, une caméra et un spectromètre. Ce dernier doit déterminer si les changements saisonniers de la couleur de la surface observés par les télescopes terrestres sont produits par une végétation martienne. Tous les instruments sont installés à l'extérieur de la sonde sauf la caméra qui est installée dans un compartiment pressurisé. Les prises d'images doivent être déclenchées par un capteur chargé de détecter l'apparition de la planète dans l'objectif de la caméra. La caméra utilise un film argentique qui est développé à bord de la sonde spatiale, puis numérisé. Le résultat est alors transmis vers la Terre.
Le lancement de sondes spatiales vers des destinations lointaines nécessite de créer un réseau d'antennes capables de communiquer avec ces engins malgré la distance et donc la faiblesse des signaux. Une nouvelle station terrestre est édifiée à Yevpetoria en Crimée. Les trois antennes paraboliques ne sont déclarées opérationnelles qu'en , plusieurs mois après le lancement de la première sonde spatiale.
L'ensemble du programme est mené dans la plus grande hâte. Trois sondes spatiales à destination de Mars sont préparées. Alors que la date de lancement optimale (permettant de lancer la masse maximale) se situe entre le 20 et le , l'assemblage de la sonde spatiale martienne n'est achevée que le 21 aout. La mise à feu de l'étage supérieur du lanceur doit être déclenchée depuis le sol au-dessus de l'Océan Atlantique hors de portée des antennes terrestres soviétiques. Aussi trois navires équipés d'antennes sont-ils envoyés sur zone pour jouer un rôle équivalent aux stations terrestres. Les derniers tests sur la sonde spatiale ne débutent que le et révèlent de nombreux problèmes portant sur le système de télécommunications, l'alimentation électrique, l'interface avec le lanceur et les instruments scientifiques. Durant une simulation du survol, le système photographique prend feu et les ingénieurs décident de ne pas faire voler la caméra. La date de lancement optimale étant dépassée, la masse susceptible d'être lancée vers Mars diminue chaque jour. Il faut également débarquer le spectromètre pour réduire suffisamment cette masse. Finalement le lancement de la première sonde spatiale martienne soviétique a lieu le mais des vibrations durant la phase propulsée endommagent des circuits électriques et les moteurs-fusées du lanceur s'arrêtent prématurément 309 secondes après le décollage. La sonde spatiale est détruite lors de sa rentrée au-dessus de la Sibérie. La deuxième sonde spatiale martienne est lancée 4 jours plus tard. La fenêtre de lancement est en train de se refermer et pour que le lanceur puisse décoller les ingénieurs sont obligés de débarquer l'ensemble des instruments scientifiques. La justification de la mission qui ne permet plus de récupérer de données lors du survol est qu'elle permettra de tester les télécommunications à longue distance et le suivi d'une mission interplanétaire en vol. Le lanceur décolle mais les moteurs du dernier étage refusent de s'allumer car le kérosène a gelé dans les canalisations. La fenêtre de lancement et le décollage du troisième exemplaire de la sonde Marsnik est abandonné .
Mars 2MV-4 thumb|Bloc L du lanceur Molnia avec une sonde spatiale de la série 2MV mise en œuvre sans succès au début des programmes Mars et Venera.
Au printemps 1961 les ingénieurs soviétiques figent les caractéristiques d'une nouvelle sonde spatiale dite 2MV (Mars Venera) destinée à être utilisée aussi bien pour les missions vers Mars que vers Vénus. Quatre variantes sont définies, deux pour les missions à destination de la planète Mars, deux pour les missions vers Vénus. Il s'agit à chaque fois d'une part d'un engin devant survoler la planète en prenant des photographies, d'autre part d'une sonde spatiale destinée à faire atterrir une charge utile à la surface de la planète. Le cœur commun est un cylindre pressurisé de 2,1 mètres de long pour 1,1 mètre de diamètre dans lequel sont logés les équipements communs à toutes les missions. À l'une des extrémités du cylindre se trouve un moteur-fusée KDU-414 de 2 kiloNewtons de poussée et brûlant un mélange hypergolique d'UDMH et d'acide nitrique. Développé par le bureau d'études Isaïev, il est chargé d'effectuer les corrections de trajectoire. Les ergols embarqués permettent au moteur-fusée de fonctionner durant 40 secondes. À l'autre extrémité on trouve selon les missions un ensemble d'instruments scientifiques ou un atterrisseur. Des panneaux solaires d'une superficie totale de sont situés de part et d'autre du cylindre. Ils sont surmontés à leur extrémité par des radiateurs de forme hémisphérique qui maintiennent la température interne de la sonde spatiale dans des limites acceptables. Sur une des faces du cylindre central entre les panneaux solaires est fixée une antenne parabolique de 1,7 mètre de diamètre. Sur la face opposée se trouvent un viseur d'étoiles ainsi que d'autres capteurs destinés à contrôler l'orientation de la sonde spatiale. La sonde spatiale dispose d'un ensemble d'antennes faible et moyen gain. Le modèle 2MV est stabilisé 3 axes. L'orientation de la sonde spatiale est contrôlée avec des propulseurs à gaz froid mais également avec des roues de réaction. Les panneaux solaires sont maintenus en permanence à 10° de l'orientation idéale vis-à-vis du Soleil de manière que l'antenne grand gain soit en permanence pointée vers la Terre.
Mars 2MV-4 No.1
Les trois premières missions spatiales utilisant le nouveau modèle sont lancées vers Vénus entre aout et . Mais les trois missions sont victimes d'une défaillance du lanceur durant la phase propulsée de celui-ci. La première sonde spatiale martienne, Mars 2MV-4 No.1, également connue sous le nom de Spoutnik 22, est lancée le , par une fusée Molnia, et a pour objectif de survoler Mars. Elle est détruite au lancement, victime de l'explosion de l'étage supérieur de la fusée .
Mars 1 thumb| Mars 1.
Mission : survol de Mars Objectifs scientifiques : étude du milieu interplanétaire (micrométéorites, champ magnétique, vent solaire et rayonnement cosmique) et de l'atmosphère martienne Statut de la mission : échec État de la sonde : piégée en orbite héliocentrique
Mars 1 est la première sonde spatiale du programme Mars. Elle est lancée avec succès le , mais un dysfonctionnement de son système d'orientation cause la perte des communications et met fin à la mission le .
Mars 2MV-3 No.1
Mars 2MV-3 No.1, aussi connue sous le nom de Spoutnik 24 en occident, est lancée le par une fusée Molnia et était destinée à atterrir sur la surface de Mars mais un dysfonctionnement du lanceur entraîna sa destruction .
Transfert du programme d'exploration du système solaire au bureau d'études Lavotchkine
L'astronautique soviétique a jusque-là rencontré peu de succès dans ses missions interplanétaires. Le bureau d'études de Korolev est débordé car il doit mener de front la conception et la gestion d'un nombre croissant de projets allant des missions avec équipage au développement de plusieurs types de satellites d'application. Aussi Korolev décide-t-il en de confier la réalisation du programme d'exploration de la Lune et du système solaire au bureau d'études Lavotchkine (OKB-301) dirigé par Gueorgui Babakine. Cette entité travaille à l'époque sur des projets d'avions sans pilote et de missiles de croisière intercontinentaux. Mais fin 1959 le fondateur du bureau d'études, Lavotchkine, avait constitué une équipe de 15 jeunes ingénieurs à qui il avait confié la tâche de concevoir un engin spatial capable de décoller depuis la Terre, de se placer en orbite autour de la Lune puis de revenir se poser sur Terre. L'échéance du projet était lointaine ce qui, selon Lavotchkine, devait leur laisser le temps de venir à bout de ce projet complexe. Mais le décès de Lavotchkine avait mis fin au projet. Les ingénieurs du bureau d'études de Korolev (OKB-1) étaient considérés comme de très bons spécialistes dans le domaine de l'analyse des systèmes complexes mais étaient des concepteurs relativement peu expérimentés. Par contre les ingénieurs de Lavotchine étaient considérés comme des experts dans le développement de systèmes dont le poids était strictement limité.