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Station spatiale internationale

Station spatiale internationale

La station spatiale internationale le 30 mai 2011.
Caractéristiques
Organisation
NASA, Roscosmos, JAXA, ESA, ...
Domaine
biologie, cosmologie, astronomie, ...
Type de mission
station spatiale
Statut
opérationnelle
Masse
env. 400 tonnes
Lancement
1998-2017
Lanceur
Navette spatiale américaine, Proton
Orbite
Orbite terrestre basse
Périapside
330 km
Apoapside
420 km
Période
92,69 min
Inclinaison
51.65°
Informations générales
Index NSSDC
1998-067A
La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est une station spatiale placée en orbite terrestre basse, occupée en permanence par un équipage international qui se consacre à la recherche scientifique dans l'environnement spatial. Ce programme, lancé et piloté par la NASA, est développé conjointement avec l'agence spatiale fédérale russe (FKA), avec la participation des agences spatiales européenne, japonaise et canadienne.
Après de nombreuses études menées par la NASA dans les années 1960 et 1970, le projet est lancé en 1983 par le président des États-Unis Ronald Reagan, mais un coût toujours croissant et un contexte politique peu favorable aux grands programmes spatiaux civils retardent sa réalisation jusqu'en 1998. En 1993, la Russie est invitée, pour des raisons géopolitiques, à devenir un acteur majeur du programme. L'assemblage en orbite débute en 1998, mais l'accident de la navette spatiale Columbia, en 2003, retarde sensiblement son avancement. Les ambitions du programme sont, à plusieurs reprises, revues à la baisse, faute de disposer de budgets suffisants, tant du côté russe qu'américain. Pour placer en orbite les composants de la station, mais également assurer le ravitaillement et rehausser l'orbite régulièrement dégradée par la traînée atmosphérique, plusieurs vaisseaux spatiaux se relaient : les cargos Progress russes, ATV européens, le HTV japonais, tandis que le vaisseau russe Soyouz assure de manière exclusive la relève des équipages depuis l'arrêt de la navette spatiale américaine. Celle-ci a joué un rôle majeur grâce à sa capacité d'emport, et son retrait, intervenu en août 2011 pour des raisons d'obsolescence et de sécurité, crée des contraintes logistiques mal résolues, en l'absence de vaisseaux capables de la remplacer complètement. La construction de la station doit s'achever en 2017.
La station spatiale internationale est le plus grand des objets artificiels placés en orbite terrestre. Elle s'étend sur 110 m de longueur, 74 m de largeur et 30 m de hauteur et a une masse d'environ 400 tonnes. La station a une architecture hétérogène avec un sous-ensemble russe reprenant les choix architecturaux de la station Mir et un sous-ensemble beaucoup plus important développé selon des standards définis par la NASA. Elle comporte une quinzaine de modules pressurisés, dont quatre consacrés aux expériences scientifiques, représentant un volume d'espace pressurisé d'environ 900 m3 dont 400 m3 habitables. Les panneaux solaires, d'une superficie de 2 500 m2, fournissent 110 kW d'électricité. La station se déplace autour de la Terre à une altitude maintenue autour de 350–400 kilomètres. Elle est occupée en permanence depuis 2000, d'abord par trois personnes, puis par six à compter de novembre 2009. Chacun des six astronautes, au cours de son séjour d'une durée de 3 à 6 mois, partage son temps de travail entre les opérations d'assemblage, de maintenance, et les tâches scientifiques. Les travaux scientifiques portent principalement sur la biologie – en particulier l'adaptation de l'homme à l'absence de pesanteur – ainsi que sur la science des matériaux et l'astronomie.
La station spatiale internationale a de nombreux détracteurs qui lui reprochent son coût, estimé à près de 115 milliards de dollars, que ne justifient pas, selon eux, les résultats scientifiques obtenus ou potentiels. Les partisans de la station spatiale mettent en avant l'expérience acquise dans le domaine des séjours longs en orbite et l'importance symbolique d'une présence permanente de l'homme dans l'espace. Elle doit être utilisée au moins jusqu'en 2024 à la suite des orientations retenues pour le programme spatial par le président américain Barack Obama. L'implication financière des partenaires des États-Unis dans le prolongement du programme au-delà de 2020 n'est pas déterminée en 2014.

        1 Historique
        1.1 La station spatiale Skylab (1973-1979)
        1.2 Naissance du projet (1985)
        1.3 Blocages budgétaires (1986-1997)
        1.4 La Russie entre dans le programme (1993)
        1.5 Lancement de la construction (1998)
        1.6 L'assemblage de la station (1998-2017)
        2 Objectifs
        2.1 Recherche scientifique
        3 Anatomie de la station spatiale
        3.1 Historique de la conception de la station spatiale par la NASA
        3.2 Le sous-ensemble russe
        3.3 Configuration finale
        3.4 Les modules pressurisés
        3.5 Les parties non pressurisées
        3.6 Les équipements de recherche scientifique
        3.7 Énergie
        3.8 Contrôle thermique
        3.9 Télécommunications
        3.10 Système de support de vie
        4 La vie à bord de la station
        4.1 Les équipages : composition et relève
        4.2 L'emploi du temps de l'équipage
        4.3 Les phases de repos
        4.4 L'hygiène
        4.5 Les repas
        4.6 Santé
        5 Les opérations
        5.1 Ravitaillement et mise en orbite des composants de la station spatiale
        5.2 Les opérations de maintien en orbite
        5.3 Assemblage et maintenance de la station
        5.4 Le rôle du support au sol
        5.5 Les risques et leur gestion
        6 Les modalités de la coopération internationale
        7 Bilan intermédiaire (2009) : apports et critiques de la station spatiale internationale
        8 Exploitation future et fin de vie
        8.1 Des problèmes de logistique
        8.2 Utilisation partielle du potentiel de recherche
        8.3 Fin du programme
        8.4 Obsolescence des modules
        8.5 Désorbitation
        9 Notes et références
        9.1 Notes
        9.2 Références
        9.3 Principales sources
        10 Voir aussi
        10.1 Articles connexes
        10.2 Liens externes
        10.3 Vidéos
Historique
La station spatiale Skylab (1973-1979)

La NASA amorce les premières réflexions sur un projet de station spatiale placée en orbite terrestre au début des années 1960. À cette époque elle prévoit la présence permanente d'un équipage de dix à vingt astronautes. Les utilisations envisagées sont multiples : laboratoire scientifique, observatoire astronomique, assemblage d'engins spatiaux, dépôts de pièces détachées et de matériel, station de ravitaillement en carburant, nœud et relais de transport.
De 1963 à 1966 le projet de station spatiale commence à se préciser : celle-ci doit utiliser le matériel développé pour le programme Apollo. La NASA considère qu'une station spatiale occupée de manière permanente est la suite logique du programme Apollo au même titre que la navette spatiale et les missions habitées vers Mars. Mais la décrue des moyens financiers alloués à la NASA ne permet pas de financer ces trois projets. Le président américain Richard Nixon choisit de privilégier le développement de la navette spatiale1. Néanmoins, le 14 mai 1973, une station spatiale aux objectifs limités, Skylab, est lancée par une fusée Saturn INT-21, une Saturn V dont seuls les deux premiers étages sont actifs, le troisième constituant le corps de la station. La station n'est occupée que six mois. Le retard pris par le programme de la navette spatiale américaine, qui aurait pu permettre sa maintenance et la relève des équipages, ne permet pas de rehausser à temps l'orbite de la station : en 1979 la station inoccupée depuis plusieurs années, parvenue à une altitude trop basse, entame sa rentrée dans l'atmosphère terrestre et est détruite.
Naissance du projet (1985)

Au début des années 1970, l'URSS prend de l'avance dans le domaine des stations spatiales avec le programme Saliout (1971-1991) aux objectifs tout à la fois civil et militaire qui sera suivi par le développement de la station Mir (1986-2001) plus ambitieuse. Dans le contexte de compétition spatiale et de guerre froide caractérisant les relations entre les États-Unis et l'URSS de l'époque2, le Président Ronald Reagan demande en avril 1983 à la NASA de lancer un projet de station spatiale pour la recherche scientifique et occupée en permanence, puis annonce le 25 janvier 1984, au cours de son discours annuel sur l'état de l'Union, la volonté des États-Unis d'entreprendre sa construction en coopération avec d'autres pays3. Le coût du projet est alors estimé à 8 milliards de dollars.
La NASA identifie à l'époque huit fonctions pouvant être remplies par la station spatiale4 :
    •    laboratoire spatial ;
    •    observatoire permanent de la Terre et de l'espace ;
    •    nœud de transport assurant le stationnement de charges utiles et de vaisseaux de transport et le lancement de ceux-ci vers leur destination finale ;
    •    station service prenant en charge le ravitaillement en carburant et de maintenance d'engins spatiaux ;
    •    chantier d'assemblage de structures de grande taille ;
    •    usine permettant grâce à la présence de l'homme de développer l'utilisation commerciale de l'espace ;
    •    lieu de stockage de charges utiles et de pièces de rechange ;
    •    base de départ pour des missions lointaines.
Le 31 janvier 1985, l'Agence spatiale européenne (ESA) accepte de s'associer au projet, suivie par l'agence spatiale canadienne le 16 avril et l'agence spatiale japonaise le 9 mai de la même année.
Blocages budgétaires (1986-1997)

Le 28 janvier 1986, la navette spatiale Challenger explose en vol. Tous les projets de vols habités de la NASA, dont celui de la station spatiale, sont gelés. En 1987, plusieurs études successives, menées par la NASA et le Conseil de la recherche américain, portent l'estimation du coût de la station à 13 milliards de dollars puis à 24,5 milliards de dollars. Le 16 juillet 1988, le Président Ronald Reagan baptise la station Freedom (« Liberté »). Au cours des années suivantes les études se suivent pour tenter de franchir l'opposition d'un Congrès peu convaincu par le projet, mais la station n'obtient pas le feu vert des décideurs. En 1993, 11,4 milliards de dollars avaient été dépensés en études et pas le moindre composant n'avait été produit5. Le Président Bill Clinton, qui vient d'être élu dans un contexte budgétaire national difficile, demande à la NASA en février 1993 de revoir à nouveau sa copie. La nouvelle épure, baptisée Alpha, abandonne un grand nombre de fonctionnalités (régénération de l'environnement, modules servant de liaison, poutre raccourcie, sas simplifié) sans parvenir à respecter le budget butoir fixé par le président6.
La Russie entre dans le programme (1993)
Au début des années 1990, la dislocation de l'Union soviétique, puis l'effondrement économique de la Russie, qui a hérité de l'essentiel de l'astronautique soviétique, modifient le contexte qui avait vu naître le projet Freedom. Les dirigeants américains craignent alors que les compétences des techniciens très qualifiés mais désormais désœuvrés de l'industrie spatiale des pays de la CEI — le budget spatial russe 1993 est égal à 10 % de celui de 1989 — contribuent à la prolifération de missiles balistiques nucléaires dans des pays hostiles. Clinton veut faire de la coopération dans le domaine spatial le symbole de la nouvelle relation qui s'est établie entre les États-Unis et une Russie pacifiée. Fin 1993, après quelques mois de négociation, un accord est conclu, qui fait de la Russie un acteur majeur du programme. L'agence spatiale russe doit fournir quatre modules pressurisés tandis que ses vaisseaux participeront au ravitaillement et à la relève des équipages. La nouvelle mouture de la station spatiale comporte désormais deux sous-ensembles : la partie américaine héritée du projet Freedom et la partie russe qui reprend des éléments Mir-2 successeur prévu de Mir7.
Un accord de coopération spatial entre les États-Unis et la Russie avait été signé fin 1992 par les présidents George Bush et Boris Eltsine : des astronautes américains pourraient effectuer des séjours de longue durée dans la station Mir. La NASA, qui met en application l'accord comme une répétition des vols vers la future station spatiale, règle 400 millions de dollars de coût de séjour à l'agence spatiale russe. Plusieurs missions se succèdent entre 1995 et 1998, au cours desquelles onze astronautes américains passent au total 975 jours à bord de la station Mir vieillissante. À neuf reprises, les navettes spatiales américaines ravitaillent la station Mir et assurent la relève des équipages. Le 13 juin 1995 le coût d'exploitation de la station Alpha est réévalué à 93,9 milliards de dollars, dont 50,5 milliards de dollars pour les vols de navettes8.
Lancement de la construction (1998)[modifier | modifier le code]

Finalement en 1998 la construction de la station est décidée au cours d'une réunion qui se tient à Washington. Désormais seize nations y participent : les États-Unis, onze États européens, le Canada, le Japon, le Brésil, la Russie.
Pour permettre l'intégration de la Russie dans le programme, la NASA décide que la station sera placée sur une orbite d'inclinaison 51,6° permettant aux vaisseaux Soyouz et Progress, aux capacités de manœuvre limitées, de desservir la station spatiale sans changer de plan d'orbite. Les navettes spatiales qui partent du centre spatial Kennedy (inclinaison 28,5°) doivent par contre changer de plan d'orbite ce qui réduit leur capacité d'emport de 6 tonnes9,10. L'inclinaison élevée présente un avantage pour les travaux relevant de l'observation de la Terre : la superficie de la Terre survolée est augmentée de 75 % par rapport à l'inclinaison optimale pour les navettes11 et couvre 95 % des zones habitées. La Russie considérant Mir comme la première vraie station spatiale, la dénomination Alpha est progressivement abandonnée fin 2001 pour celle plus consensuelle pour les 16 pays participants d'International Space Station (ISS - ou en français « Station spatiale internationale »)12.
L'assemblage de la station (1998-2017)

L'assemblage en orbite de la station spatiale internationale est un processus long car le lancement des 400 tonnes de la station va nécessiter une quarantaine de vols de la navette spatiale américaine et quelques vols des lanceurs russes qui seront interrompus longuement à deux reprises à la suite de défaillances techniques. En novembre 1998 le lancement du module russe Zarya par une fusée Proton inaugure l'assemblage de la station13. Le mois suivant, la navette spatiale américaine lance à son tour le module Unity de la NASA. Mais, quelques mois plus tard, un échec de la fusée Proton, chargé de lancer le module russe Zvezda, gèle les opérations durant un an et demi. Ce module, qui permet l'hébergement du premier équipage permanent, l'expédition 1, est finalement lancé en juillet 2000. La station sera désormais occupée de manière ininterrompue par un équipage mixte américano-russe de trois personnes avec ponctuellement des membres des autres pays participants. Russes et américains prennent le commandement à tour de rôle. L'accident de la navette spatiale Columbia en 2003 cloue les navettes au sol et interrompt de nouveau l'assemblage de la station de février 2003 à juillet 2005. Durant cette période, la station spatiale, qui ne reçoit plus assez de ravitaillement, est placée en mode « survie » avec un équipage ramené à deux personnes, une orbite dégradée et une maintenance différée. Les vols de la navette reprennent en juillet 2005 (mission STS-114) mais en octobre 2005 la NASA annonce qu'elle compte retirer du service la navette spatiale en 2011. La NASA doit achever le montage de la station avec les dix-huit vols disponibles. Cette décision soulève un redoutable problème logistique pour le futur car les moyens de transport restants ne suffiront pas à transporter le tonnage de fret nécessaire. La NASA lance en 2006 le programme COTS qui confie à des entrepreneurs privés le soin d'assurer le ravitaillement manquant. En juillet 2006 l'équipage permanent repasse à trois personnes avec l'arrivée de Thomas Reiter, premier astronaute européen. L'installation des nouveaux modules et d'équipements comme le système de support de vie américain permet à l'équipage permanent de passer à six personnes en juillet 2009 avec l'expédition 20.
Dernières missions d'assemblage planifiées14

Au cours des années 2000, les problèmes budgétaires vont entraîner l'abandon de composants importants. La Russie, mal relevée de la crise économique, renonce à un vrai laboratoire spatial (2007) alors que la conception initiale en prévoyait trois15, puis deux de ces modules16, qui devaient être amarrés au Module d'amarrage universel (UDM) qui lui-même ne sera pas lancé17. Elle abandonne également la réalisation d'un module de production d'électricité (le Science Power Platform (SPP)) qui aurait permis de rendre la partie russe autonome sur le plan énergétique. Du côté de la NASA, c'est l'explosion des budgets prévisionnels qui entraîne des arbitrages sévères : le CRV, un véhicule permettant d'évacuer l'équipage en cas de sinistre, trop coûteux (3 milliards de dollars), est abandonné en 2002. Il sera remplacé par des vaisseaux Soyouz amarrés en permanence à la station18. La construction du module d'habitation, qui devait fournir un espace réservé à l'équipage, comportant douche, salle de repas et de détente ainsi que compartiments individuels, est arrêtée alors que la coque pressurisée était achevée (2006) ; un module scientifique construit par le Japon qui devait héberger une centrifugeuse de 2,5 mètres de diamètre, nommé Centrifuge Accommodations Module, équipement jugé pourtant essentiel par la communauté scientifique, est annulé en 200519. Les États-Unis renoncent également au développement du Module de propulsion qui devait permettre de rehausser périodiquement l'orbite de la station.
En 2013 la station spatiale comporte 13 modules pressurisés et l'assemblage des composants non pressurisés est achevé : la dernière livraison doit être effectuée par un lanceur russe Proton qui doit délivrer en 2017 le module pressurisé Nauka et le Bras télémanipulateur européen20.
Objectifs
Selon la NASA la station spatiale internationale est conçue d'abord comme un laboratoire de recherche affecté à l'étude de son environnement atypique caractérisé par l'absence de pesanteur, le bombardement par des rayonnements absents au sol car interceptés par l'atmosphère, et sa position qui en fait un poste d'observation privilégié de la Terre mais également de l'espace. Par rapport à la navette spatiale américaine, elle présente l'avantage de constituer une plateforme stationnée pour de longues durées21,22. Contrairement aux satellites porteurs d'expériences scientifiques, la présence d'un équipage permanent offre l'avantage de permettre d'effectuer, à la demande, de nombreuses manipulations sur les expériences : surveillance, ajout d'intrants, réparations ou remplacements de composants. Les scientifiques au sol ont, grâce à l'équipage, la possibilité d'accéder facilement aux résultats de leurs expériences, d'en modifier les paramètres ou d'en lancer de nouvelles22.
Par ailleurs la station spatiale, par sa position en orbite terrestre basse, fournit un endroit relativement sûr pour mettre au point les systèmes spatiaux qui seront nécessaires pour les missions de longue durée vers la Lune ou sur Mars. Elle permet d'acquérir de l'expérience dans le domaine de la maintenance, de la réparation et du remplacement de systèmes en orbite : toutes ces techniques sont vitales pour la mise en œuvre de vaisseaux qui devront s'éloigner de la Terre et s'affranchir de toute possibilité de dépannage depuis la Terre. Ce type de recherche permet à terme de réduire les risques courus par ces missions et d'optimiser la capacité des vaisseaux interplanétaires23.
Le rôle de l'équipage porte également sur l'éducation et la coopération internationale. L'équipage de la station spatiale permet à des étudiants sur Terre de participer, y compris par le biais d'expériences développées par eux, à des travaux pratiques. Le programme de la station spatiale lui-même et la coopération internationale qu'il suscite, permet à 13 nations d'apprendre à vivre et travailler ensemble dans l'espace, préparant le terrain pour de futures missions internationales24,25.
Recherche scientifique

La station spatiale fournit une plateforme pour réaliser des expériences qui nécessitent qu'une des conditions inhabituelles rencontrées dans l'espace soit présente. Les domaines de recherche principaux comprennent la biologie, la physique, l'astronomie et la météorologie26,27. Selon les directives adressées par le Congrès à la NASA en 2005, le laboratoire américain Destiny est officiellement considéré comme un laboratoire public national dans le but d'accroitre son utilisation par l'ensemble des agences fédérales et du secteur privé28.
La recherche effectuée à bord de la station spatiale accroît la compréhension des effets du séjour dans l'espace sur le corps humain. Les thèmes de recherche actuels portent sur l'atrophie musculaire, l'ostéoporose et la redistribution des liquides biologiques (sang...) qui constituent certains des problèmes les plus handicapants pour les séjours longs de l'homme dans l'espace. Les données recueillies doivent permettre de déterminer si l'homme peut effectuer des vols de longue durée et à terme coloniser l'espace. Les résultats concernant la perte osseuse et l'atrophie musculaire suggèrent que les astronautes risquent d'être victimes de fractures au moment de l'atterrissage sur une planète après un séjour prolongé dans l'espace29
Des études médicales à grande échelle sont menées à bord de la station spatiale par l'Institut de recherche de médecine spatiale américain. Parmi les travaux notables figure l'étude sur un système de diagnostic par ultrasons en microgravité dans le cadre duquel plusieurs astronautes (dont les commandants Leroy Chiao et Gennady Padalka) se sont soumis à des examens par ultrasons en étant guidés par des spécialistes. Le thème de l'étude porte sur les techniques de diagnostic et le traitement des problèmes médicaux dans l'espace. Il n'y a généralement pas de médecins dans la station spatiale et la réalisation de diagnostics peut par conséquent être difficile. Les techniques testées dans le cadre de cette étude ont été mises en œuvre par la suite pour diagnostiquer des accidents du travail ou dans le domaine des sports olympiques ; elles ont également été mises en œuvre par des opérateurs sans expérience sur des populations comme celles des étudiants. Il est prévu que ces techniques de diagnostic à distance par ultrasons aient des applications sur Terre dans les situations d'urgence et dans les milieux ruraux où l'accès à un médecin expérimenté est difficile30,31,32.

Des chercheurs étudient les effets de l'absence de gravité sur l'évolution, le développement, la croissance et les processus internes des plantes et des animaux. À partir de certaines des données collectées, la NASA souhaite analyser les effets de la micro-gravité sur la croissance tridimensionnelle des tissus similaires à ceux de l'homme et sur les cristaux de protéines qui se forment dans l'espace26.
La physique des fluides en microgravité est également étudiée, afin de permettre aux chercheurs de mieux modéliser leur comportement. Étant donné que dans cet environnement tous les fluides peuvent être mélangés, les physiciens tentent de combiner des fluides qui se mélangent mal sur Terre. De plus, en examinant les réactions chimiques qui sont ralenties par la faible gravité et les températures, les scientifiques espèrent effectuer de nouvelles percées dans le domaine de la supraconductivité26.
La science des matériaux est un secteur important de la recherche effectuée dans la station spatiale : ses objectifs sont d'améliorer les techniques de fabrication utilisées sur Terre33.
Parmi les autres centres d'intérêt figure l'incidence de la microgravité sur la combustion : efficacité de la combustion et contrôle des émissions et des polluants. Les découvertes dans ce domaine pourraient permettre d'améliorer notre compréhension des mécanismes mis en œuvre pour la production d'énergie et bénéficier en retour à l'économie et à l'environnement. On envisage également d'utiliser la station spatiale pour étudier les aérosols, l'ozone, la vapeur d'eau et les oxydants présents dans l'atmosphère terrestre26. En mai 2011 une expérience de physique fondamentale, le spectromètre magnétique Alpha, est installée sur la poutre de la station : cet instrument pourrait apporter des informations précieuses sur la présence ou la nature de l'antimatière et de la matière noire en analysant les rayons cosmiques qui ne peuvent être observés depuis le sol à cause du filtrage de l'atmosphère terrestre.

Anatomie de la station spatiale
Lorsqu'elle sera achevée, la station spatiale internationale mesurera 108 mètres de longueur sur 74 mètres de large, pour une masse approchant les 400 tonnes. Avec un volume pressurisé d'environ de 900 m3 dont près de 400 m3 habitables34,35,N 1 elle peut accueillir six astronautes en permanence, qui se succèderont et se relaieront selon les exigences des missions.
La station spatiale est composée d'une part des modules pressurisés dans lesquels les astronautes vivent (laboratoires, modules d'amarrage, modules d'interconnexions, sas, modules polyvalents), d'autre part d'éléments non pressurisés qui assurent différentes fonctions comme la fourniture d'énergie, la régulation thermique, la maintenance (bras robotiques) et le stockage d'expériences scientifiques et de pièces détachées.
Historique de la conception de la station spatiale par la NASA
Article détaillé : Station spatiale.
L'architecture et l'aménagement intérieur de la partie non russe de la station spatiale (~85 % du tonnage) sont l'aboutissement de longues études démarrées au début des années 1970 qui ont abouti au cours des années 1980.

L'expérience de la station Skylab
La station Skylab (1973-1974) avait été réalisée en aménageant le troisième étage d'une fusée Saturn V, haut de 39 mètres et de 7 mètres de diamètre, qui avait été divisé dans le sens de la longueur en deux étages, fournissant ainsi un volume intérieur de 480 m3. Bien que la station n'ait été habitée que brièvement (6 mois en temps cumulé), ses occupants font des observations intéressantes qui seront prises en compte dans la conception de la future station à laquelle certains d'entre eux vont d'ailleurs participer. La NASA étudie au début des années 1970, sans avoir de vrai financement, une station susceptible de succéder à Skylab. Après l'arrêt de la fabrication de la fusée Saturn et le lancement du projet de navette spatiale, le concept de station monolithique (un cylindre unique), à la manière de Skylab, est abandonné au profit d'un ensemble de modules dont le diamètre est compatible avec la taille de la soute de la navette (moins de 5 mètres). Le regroupement des modules autour d'un module central servant de nœud est écarté car trop risqué. La NASA identifie à cette époque la nécessité de disposer d'un vaisseau permettant d'évacuer à tout moment la station36.
La configuration Tour à énergie
En 1982-1983 un groupe de travail de la NASA chargé de réfléchir au développement d'une station spatiale, le Concept Development Group (CDG), met au point le concept de « Tour à énergie » (Power tower) : une poutre verticale de près de 100 mètres de haut supporte à son sommet une poutre perpendiculaire de 75 mètres de long sur laquelle sont répartis les panneaux solaires. Tous les autres composants sont attachés à l'extrémité inférieure de la poutre et l'ensemble est stabilisé par gradient de gravitéN 2 ce qui permet de réduire le besoin de carburant pour contrôler l'orientation de la station. La partie pressurisée, est constituée de quatre modules - deux laboratoires, un habitat et un module de commandement - partageant la même architecture : un cylindre doté d'un port d'amarrage à chaque extrémité et de quatre autres ports à sa périphérie permettant de multiples arrangements. Pour l'aménagement intérieur, deux configurations sont étudiées : un cloisonnement du cylindre en tranches à la manière de Skylab et un aménagement longitudinal avec un plancher parallèle à la paroi du cylindre. Le cloisonnement vertical génère des espaces confinés et peut créer des problèmes de désorientation mais utilise mieux l'espace et fournit un bon accès au système de support de vie37.
La configuration Catamaran

En 1985 la NASA entame, avec la participation de plusieurs industriels, la phase B de son étude destinée à détailler les concepts déjà définis. Une étude plus fine des besoins scientifiques - microgravité, observatoires céleste et terrestre - aboutit à la disqualification du concept de « Tour à énergie » mal adapté. Une nouvelle architecture dite Catamaran (Dual Keel) est mise au point : deux poutres verticales parallèles supportent à leurs extrémités les télescopes spatiaux. Elles sont jointes en leur centre par une longue poutre horizontale qui supporte en son milieu les modules pressurisés et à ses extrémités les panneaux solaires38.
Aménagement intérieur[modifier | modifier le code]

Parallèlement un groupe créé en 1983 au centre spatial Johnson se penche plus particulièrement sur l'aménagement intérieur. Il s'agit à la fois de favoriser la productivité de l'équipage par une optimisation de l'ergonomie et de permettre la mise à niveau de la station et sa maintenance tout au long de sa durée de vie estimée à l'époque à 30 ans. Pour parvenir à ce résultat les équipements intérieurs doivent être modulaires ; la taille de chaque « meuble » doit être à la fois standardisée et suffisamment réduite pour pouvoir passer par les écoutilles. Il est établi que la taille minimale compatible avec la dimension des équipements usuels est celle d'un réfrigérateur. Par ailleurs la disposition retenue doit permettre d'accéder facilement à la coque pressurisée en cas de perforation. Plusieurs scénarios d'aménagement sont évalués : équipements rassemblés autour de l'axe du module laissant un espace habitable entre ce noyau et la coque (Service Core A sur le schéma ci contre). Mais pour une coque de 4,5 mètres de diamètre, cette configuration laissait beaucoup moins d'espace vital que celle consistant à rejeter les équipements le long de la coque. Cette dernière disposition est donc retenue pour la suite de l'étude et à son tour déclinée en plusieurs versions : une disposition avec les équipements placés aux quatre angles laissant un volume libre en forme de croix (B) est éliminée car laissant peu de place pour les équipements ; on écarte également un aménagement qui superpose deux formats d'équipement de chaque côté de l'espace laissé libre avec des gaines techniques courant au niveau du plancher et du plafond (C). La solution finalement retenue consiste à placer des équipements au format parfaitement identique sur les quatre côtés de l'espace central (D). Les espaces libres de forme triangulaire situés entre les équipements et la coque sont utilisés pour faire passer les gaines techniques39.

Du module universel au module spécialisé

Pour réduire les coûts, la NASA était partie du principe que tous les modules de la station seraient identiques (configuration K sur le schéma ci-contre) ; l'ajout d'équipements intérieurs spécialisés devait permettre de répondre aux besoins couverts spécifiquement par chaque module. Mais les études plus détaillées montrèrent que, compte tenu du nombre réduit de modules à produire, le gain financier espéré ne compensait pas le surcroît de complexité et de masse d'un module « universel ». En particulier un tiers du volume de chaque module devait être consacré aux six ports d'amarrage radiaux et axiaux particulièrement volumineux et lourds compte tenu de leur gabarit généreux. Aussi fut-il décidé que le module commun ne prendrait pas en charge les fonctions de sas et de nœuds qui donneraient lieu au développement de modules spécialisés. Dans cette nouvelle configuration le module commun, nettement allégé car ne comportant plus que deux ouvertures aux extrémités du cylindre, pouvait être allongé ce qui permettait de réduire le nombre de modules nécessaires ; les modules, qui dans les configurations de l'époque assuraient des liaisons perpendiculaires pour des raisons de sécurité (configuration « en carré »), pouvaient être abandonnés au profit de simples tunnels pratiquement dépourvus d'équipements intérieurs et donc très légers (L). Finalement il fut décidé d'allonger les modules de type nœud pour qu'ils prennent en charge également la fonction des modules de liaison (configuration M puis N)40. Le concept de module de liaison fut abandonné par la suite.
La coupole d'observation
Pour pouvoir travailler, il était nécessaire que l'équipage dispose d'une vue sur l'extérieur : manœuvres d'amarrage et désamarrage des vaisseaux chargés du ravitaillement et de la relève, intervention à distance sur la partie extérieure de la station grâces aux bras robotisés, surveillance et maintenance. La réponse à ce besoin opposa d'une part les partisans d'une vue « virtuelle » reconstituée sur les écrans d'un poste de travail à partir d'images obtenues grâce à des caméras et d'autre part ceux qui, au nom de la sécurité, exigeaient de disposer de hublots dans chaque module permettant d'avoir une vue directe sur les composants de la station. Les détracteurs de cette dernière solution soulignèrent que la présence de hublots fragilisait et alourdissait la structure sans pour autant fournir une vue directe sur toutes les parties de la station. La création de coupoles d'observation donnant une vision à 180° fut décidée à l'issue de ces débats41.
Le sous-ensemble russe

La station spatiale internationale comprend :
    •    d'une part, les modules et composants développés en appliquant les concepts architecturaux mis au point par la NASA, regroupés dans un sous-ensemble baptisé par l'agence spatiale américaine segment américain (USOS) qui inclut également des modules construits et financés par les agences spatiales japonaise et européenne ;
    •    d'autre part, les modules et composants russes constituant un deuxième sous-ensemble (environ 25 % de la masse) baptisé segment russe (ROS). Les modules russes forment un ensemble bien distinct, relié au reste de la station uniquement par le module de la NASA de type nœud Unity.
La partie russe de la station applique l'architecture des modules développés pour la station Mir. Leur conception plus classique est très différente de ce qui a été développé par la NASA. Les nœuds sont intégrés dans des modules qui ne se cantonnent pas à cette spécialité. Les aménagements ne sont généralement pas amovibles. La place accordée aux équipements scientifiques est beaucoup plus réduite. Deux membres de l'équipage disposent de petites cabines.
Configuration finale

À l'issue de la phase de conception, la configuration de la station spatiale retenue comporte quatre modules laboratoires, un module d'habitation, deux coupoles d'observation, deux sas et un module logistique (pour le stockage) construit par les européens. Les arbitrages budgétaires qui affectent le projet entraînent par la suite la suppression de deux nœuds, d'une coupole du module affecté à la centrifugeuse et de celui à la logistique.
Les modules pressurisés, qui sont de forme cylindrique, sont pourvus d'une ouverture à chaque extrémité. La station est composée d'une colonne vertébrale formée par une enfilade de cinq modules (de Zvezda à Harmony), connectés bout à bout, longue de près de 50 mètres. Les autres modules viennent se greffer sur cet axe : certains modules sont connectés sur la gauche ou la droite du corps principal (Colombus, Quest, Tranquility et Kibo) tandis que d'autres sont connectés au-dessus ou au-dessous (Pirs, Poisk, poutre S0, Rassvet, Nauka, Leonardo).
De la conception initiale subsiste également une longue poutre, fournie par la NASA et perpendiculaire à l'axe principal des modules pressurisés. Cette poutre porte principalement les panneaux solaires et les radiateurs du système de régulation thermique. Elle est rattachée à l'enfilade de modules à peu près en son milieu au niveau du module Unity. La grande longueur de la poutre permet aux panneaux solaires placés à ses deux extrémités, de s'orienter à tout moment de manière optimale (ils disposent de deux axes de liberté), sans être gênés par les modules pressurisés.
Les modules pressurisés
La structure des modules est réalisée en alliage d'aluminium, qui présente l'avantage d'être léger, résistant à la corrosion et d'être un bon conducteur électrique ce qui facilite la mise à la terre des équipements. La structure principale des modules pressurisés dont le rôle est de préserver l'intégrité du module, est composée d'une part d'une coque de forme cylindrique, dans laquelle sont percées des ouvertures occupées par des hublots ou des écoutilles, d'autre part de longerons qui permettent à la fois de résister à la pression et de jouer le rôle de support pour les équipements intérieurs. Sur cette structure primaire sont fixés des éléments de structures secondaires : à l'intérieur les baies de rangements, les écoutilles ou les rideaux de hublot, à l'extérieur les poignées permettant aux astronautes de progresser durant les sorties extravéhiculaires et les protections anti-météorites qui recouvrent la surface des modules. Pour les modules non russes, celle-ci est constituée d'une feuille d'aluminium de 1,27 millimètre d'épaisseur maintenue à une distance de 10 cm de la coque. Grâce à cette protection la probabilité qu'un débris traverse la coque est de 7,5 % pour les modules non russes et de 5 % pour les modules russes qui disposent d'un système différent42.
Aménagements intérieurs

En l'absence de gravité, la notion de plancher/plafond (verticale locale dans le jargon de la NASA) a été définie de manière arbitraire : le plancher est le côté des modules tourné en permanence vers la Terre (nadir), le plafond étant à l'opposé (zénith). Le marquage, la disposition des appareils prennent en compte cette orientation : lorsqu'ils s'activent les membres de l'équipage prennent donc des positions verticales similaires. L'axe principal des modules (de Zvezda à Tranquility) est aligné sur la trajectoire de la station spatiale : les laboratoires Columbus et Kibo sont situés à l'avant et donc plus exposés à une collision avec un débris spatial tandis que les modules russes se situent à l'arrière. La troisième dimension est indiquée, comme sur un navire, par les appellations bâbord (à gauche pour une personne tournée vers l'avant) et tribord (Kibo est à bâbord et Columbus à tribord).
Les modules non russes ont la forme de cylindres aux extrémités légèrement coniques dont le diamètre a été fixé par celui de la soute de la navette spatiale (5 mètres). À chaque extrémité d'un module, de part et d'autre de l'ouverture axiale (D sur le schéma ci-contre), se trouvent des aménagements non amovibles (systèmes de sécurité, appareillages électriques) dissimulés derrière des cloisons. Le reste de l'espace tire les conséquences de l'absence de gravité : les quatre côtés (plancher, plafond et parois latérales), reçoivent le même type d'aménagement amovible constitué d'armoires (rack) au format standardisé ISPR hautes de 2 mètres pour 1,05 m de largeur et 85,4 cm de profondeur et dont l'arrière épouse la forme incurvée de la coque (A). Pratiquement jointifs (une rampe lumineuse occupe chaque angle) ce mobilier dégage en son centre un espace habitable le long de l'axe du module ayant une section carrée d'un peu plus de 2 mètres de côté. Les gaines de courant et fluides circulent dans l'espace de forme triangulaire laissé libre entre la coque et les armoires (C). Des barres formant poignée sont disposées à intervalle régulier pour permettre à l'équipage de se déplacer ou de se maintenir sur place. Les baies standardisées peuvent être occupées par différents types d'aménagements :
    •    Équipement scientifique ;
    •    Armoire de rangement ;
    •    Equipement de support de vie (eau, température, air) ;
    •    Toilette, mini cabine personnelle.
Le choix de l’amovibilité des aménagements permet de faire évoluer ou remplacer la plus grande partie des équipements au cours de la longue vie de la station spatiale. Ce choix permet également à la navette de lancer les modules, ce qu'elle n'aurait pu faire si ceux-ci avaient déjà reçu tous leurs aménagements car ils auraient été trop lourds. Mais cette conception n'a pas permis de fournir l'espace ordonné espéré : l'espace habitable de la station spatiale, en particulier celui des laboratoires, est envahi par un fouillis de câbles et d'équipements ajoutés43).
Liaisons entre modules et systèmes d'amarrage des vaisseaux

La connexion entre les modules et l'amarrage des vaisseaux spatiaux aux modules met en œuvre plusieurs types de liaisons du fait de l'origine hétérogène du matériel mis en œuvre :
    •    Le système d'amarrage sonde-cône est un système très ancien développé par les Russes. Il est dissymétrique c'est-à-dire qu'une des deux parties arrimées porte la sonde (vaisseaux russes Soyouz, Progress, européen ATV) tandis que l'autre partie porte la pièce en forme de cône (majorité des ports d'amarrage des modules russes de la station). L'ouverture circulaire d'un diamètre intérieur de 80 cm ne facilite pas le transfert du fret : les équipements encombrants comme les armoires américaines au format ISPR qui équipent la partie non russe, ne peuvent transiter par ce type d'écoutille et cette contrainte impose une géométrie longiligne aux équipements amovibles russes les plus volumineux.
    •    L'APAS est un système mis au point pour permettre la liaison entre les composants russes et américains. Il est hybride, c'est-à-dire que les composants de part et d'autre sont identiques. L'APAS est installé sur la navette spatiale et sur le module Zarya pour sa jonction avec la partie américaine. Le diamètre intérieur de l'ouverture est de même dimension que le système russe (ouverture circulaire de 80 cm de diamètre44) et souffre donc des mêmes limitations que celui-ci.

    •    Le CBM est un mécanisme d'amarrage mis au point pour la Station spatiale internationale. Il est mis en œuvre sur tous les modules non russes de la station. C'est également un système dissymétrique : la partie active (Active Common Berthing Mechanism ou ACBM) est constituée par un anneau sur lequel se situent quatre verrous qui assurent un premier assemblage et 16 boulons qui rigidifient l'ensemble. La partie passive (Passive Common Berthing Mechanism ou PCBM) reçoit les mécanismes d'accrochage. Les trois modules pressurisés, de type nœud, comportent sur leur partie axiale un port d'amarrage actif et un passif ; chaque nœud dispose par ailleurs de quatre autres ports tous actifs. Ce système d'amarrage est également celui du vaisseau cargo japonais HTV et dans le futur des vaisseaux de ravitaillement Cygnus et Drago. L'ouverture qui a une forme carrée de 127 cm de côté est d'une taille particulièrement généreuse permettant de faire passer les racks ISPR qui sont les plus gros équipements amovibles. C'est un atout essentiel pour la maintenance de la partie non russe de la station. Le maintien de l'étanchéité a constitué un challenge technique à la conception, car compte tenu de sa forme carrée et de sa taille, il s'exerce une poussée de 20 tonnes non uniforme sur l'écoutille, lorsque le port n'est pas connecté à un autre module. Le système permet également la connexion automatique des liaisons électriques, des télécommunications et des canalisations porteuses de fluides44.
Pour pouvoir mettre en relation des modules ou vaisseaux porteurs du système d'amarrage APAS d'une part et CBM d'autre part, des adaptateurs pressurisés en forme de cône coudé ont été mis en place (Pressurized Mating Adapters ou PMA). Ils ménagent un corridor pressurisé entre les deux parties, comportent un chauffage et permettent d'établir une liaison électrique et télécom. Le PMA-1 est utilisé pour relier le module russe Zarya au module Unity faisant la jonction entre la partie russe et la partie internationale de la station. Le PMA-2 installé aujourd'hui sur le module Harmony est le point d'amarrage habituel de navette spatiale. PMA-3, installé sur le nœud Tranquility fournit une alternative pour l'amarrage de la navette.
Les modules russes Zvezda et Zarya

Zarya (soleil levant) est le premier module de la station internationale placé en orbite. Il s'agit d'une nouvelle déclinaison du vaisseau TKS utilisé à plusieurs reprises par l'astronautique russe. Il sert actuellement de lieu de stockage et permet grâce à ses moteurs (32 moteurs de 13 kg de poussée) de réorienter la station lorsque les corrections à apporter dépassent la capacité des gyroscopes électriques installés dans la partie américaine de la station. Des réservoirs situés à l'extérieur permettent de stocker 6 tonnes de carburant qui sont utilisés par les moteurs du module Zvezda pour rehausser l'orbite de la station. Zarya est d'une part reliée au module Zvezda d'autre part au nœud Unity. Un troisième port permet de recevoir un vaisseau Soyouz ou Progress mais est, depuis 2010, relié en permanence au compartiment d'amarrage Rassvet. Zarya possède ses propres panneaux solaires et ses batteries. Il pèse 19,3 tonnes et est long de 12,55 mètres pour un diamètre de 4,1 mètres45.
Zvezda (« étoile ») également appelé « module de service » a durant les premières années été le centre de la station spatiale. On y trouve des équipements vitaux qui resteront longtemps uniques dans la station spatiale tels que les systèmes de support de vie Elektron et Vozdukh, les systèmes de contrôle de vol et de navigation et une toilette. Il reste aujourd'hui le centre de commandement de la partie russe de la station. Zvezda est une évolution du module central de la station Mir : le module comporte comme celle-ci trois parties : un compartiment de travail, une chambre de transfert qui donne sur un point d'amarrage à l'arrière et un compartiment de « transfert » situé à l'avant avec trois ports d'amarrage. Les occupants du module résident et travaillent dans le compartiment de travail qui comprend notamment deux petites cabines d'équipage, une toilette, un tapis roulant et un cycloergomètre. Le module Zvezda est long de 13,1 mètres pour un diamètre maximum de 4,15 mètres et un poids de 18 tonnes. Il possède deux panneaux solaires d'une envergure de 29,7 mètres. Le port d'amarrage situé à l'arrière peut recevoir un vaisseau Soyouz ou Progress tandis que les trois ports situés à l'avant sont reliés de manière définitive au module Zarya ainsi qu'aux modules d'accostage Pirs et Poisk. Zvezda dispose de moteurs-fusées qui sont utilisés pour rehausser l'altitude de la station46.
Les modules de type nœud[modifier | modifier le code]

La partie non russe de la station comporte trois modules de type nœud qui peuvent assurer l'interconnexion entre six modules.
Unity (nœud 1) est chronologiquement le second module à avoir été assemblé à la station spatiale internationale, et le premier construit par les États-Unis. C'est un cylindre d'aluminium de 11,6 tonnes, 5,47 m de long et de 4,57 m de diamètre. Il est plus court que les deux autres modules et ne comporte que quatre emplacements pour des racks au format ISPR contre huit pour les autres modules. Il assure la jonction avec la partie russe de la station via un PMA47.
Harmony (nœud 2) pèse 14,3 tonnes pour une longueur de 7,2 mètres et un diamètre de 4,4 mètres. Il assure la connexion entre le laboratoire européen Columbus, le module américain Destiny et le module japonais Kibo. Sur les huit baies disponibles, quatre sont occupées par des racks d'avionique tandis que les autres servent de lieu de rangement47.
Tranquility (nœud 3) a les mêmes dimensions que Harmony et contient comme celui-ci huit racks dont deux occupés par l'avionique du module. Les principaux équipements touchent au système de support de vie américain avec deux racks recyclant les eaux usées, un rack pour la génération d'oxygène à partir de l'eau et un rack pour le système de régénération de l'atmosphère qui enlève les contaminants et contrôle ses constituants. Tranquility comporte également un compartiment toilettes pour l'équipage. Tranquility tient lieu également de salle de sport puisqu'on y trouve deux appareils destinés à l'exercice physique dont un tapis roulant. Le module dispose d'une coupole d'observation Cupola installée sur un des ports d'amarrage radiaux. Celle-ci est une baie vitrée de forme convexe et circulaire, composée de sept hublots : un hublot central zénithal de forme circulaire entouré de six autres plus petits et trapézoïdaux. L'ensemble, installé sous le module Unity côté Terre, fournit une vue panoramique à la fois sur la planète et sur une partie du champ d'intervention du bras manipulateur Canadarm2 utilisé pour la maintenance de la station. Sur les six ouvertures du nœud seules trois d'entre elles sont utilisées48.

Les modules laboratoires

Les modules laboratoires sont consacrés à la recherche. À cet effet leurs quatre faces internes comportent des emplacements au format standardisé qui peuvent recevoir des expériences et qui disposent d'interfaces informatiques, vidéos, d'une alimentation électrique ainsi que de canalisations pouvant distribuer gaz ou fluides. Certaines de ces baies sont néanmoins occupées par des équipements relevant du support vie servant de stockage en l'absence de module réservé à la logistique et à l'habitat.
Le laboratoire américain Destiny est le deuxième module américain installé et le premier laboratoire. Il est conçu pour accueillir les charges utiles et les expériences devant s'accommoder d'une atmosphère terrestre. Sa capacité est de vingt-quatre baies, dont treize sont spécialement conçues pour recevoir des expériences nécessitant un interfaçage complet avec la station et ses ressources. Cet élément a été mis en orbite le 7 février 200149.

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