La Station spatiale internationale, en abrégé SSI (surtout au Canada francophone) ou ISS (d’après l’anglais International Space Station), 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, 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 budgets suffisants, tant du côté russe qu’américain. Pour assurer le ravitaillement et rehausser l’orbite régulièrement dégradée par la traînée atmosphérique, plusieurs vaisseaux spatiaux se relaient : les cargos Progress russes, les cargos HTV japonais, les ATV, Véhicule automatique de transfert européen, les Cygnus et SpaceX Dragon américains. En mai 2020, un vaisseau Crew Dragon envoie deux astronautes vers la station, ouvrant ainsi la voie aux vols d’équipages en capsules privées et mettant fin à l’exclusivité que détenait le véhicule spatial russe Soyouz dans 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 juillet 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 spatiale internationale s’achève en 2011.
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 420 tonnes en 2019. La Station a une architecture hétérogène avec un segment orbital russe reprenant les choix architecturaux de la station Mir et un segment orbital américain beaucoup plus important et développé selon les 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 330-420 kilomètres. Elle est occupée en permanence depuis l’an 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’être humain 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 américains, que ne justifient pas, selon eux, les résultats scientifiques obtenus ou potentiels. Les partisans de la Station spatiale internationale 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.
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.
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 Mir.
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 navettes.
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 la desservir sans changer de plan d’orbite. Les navettes spatiales qui partent du centre spatial Kennedy (inclinaison 28,5°) doivent en revanche changer de plan d’orbite, ce qui réduit leur capacité d’emport de 6 tonnes. L’inclinaison élevée présente un avantage pour les travaux d’observation de la Terre : la superficie de la Terre survolée est augmentée de 75 % par rapport à l’inclinaison optimale pour les navettes et couvre 95 % des zones habitées. La Russie considérant Mir comme la première véritable 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 »).
L’assemblage en orbite de la station spatiale internationale est un long processus 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 station. 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, chargée 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, ponctuellement rejoint par 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 l’avenir 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 s’élève de nouveau à trois personnes avec l’arrivée de Thomas Reiter, premier astronaute européen. L’installation des nouveaux modules et d’équipements tels que le système de support de vie américain permet à l’équipage permanent de passer à six personnes en juillet 2009 avec l’expédition 20, deux vaisseaux Soyouz d’une capacité de trois personnes chacun, amarrés depuis cette date à la station, pouvant jouer le rôle de capsules de secours.
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 véritable laboratoire spatial (2007) alors que la conception initiale en prévoyait trois, puis deux de ces modules, qui devaient être amarrés au Module d’amarrage universel (UDM) qui, lui-même, ne sera pas lancé. 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 station. 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 interrompue 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 2005. Les États-Unis renoncent également au développement du Module de propulsion qui devait permettre de rehausser périodiquement l’orbite de la station.
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 durées. 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 nouvelles.
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 vers 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 interplanétaires.
Le rôle de l’équipage porte également sur l’éducation et la coopération internationale. L’équipage de la station spatiale permet à des étudiants restés 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, permettent à 13 nations d’apprendre à vivre et travailler ensemble dans l’espace, favorisant ainsi de futures missions internationales.
La station spatiale fournit une plateforme pour réaliser des expériences qui nécessitent une des conditions inhabituelles rencontrées dans l’espace. Les domaines de recherche principaux comprennent la biologie, la physique, l’astronomie et la météorologie. Selon les directives élaborées 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 privé.
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 prolongés 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’espace.
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 d’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 sous la direction de 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 difficile.
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 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’espace.
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 supraconductivité.
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 Terre.
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 effectuées 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 terrestre30. 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 en raison du filtrage de l’atmosphère terrestre.
La station spatiale internationale mesure 108 mètres de long sur 74 mètres de large, pour une masse approchant les 400 tonnes. Avec un volume pressurisé d’environ 900 m3, dont près de 400 m3 habitables, elle peut accueillir six astronautes en permanence.
La station spatiale est composée d’une part des modules pressurisés dans lesquels vivent les astronautes (laboratoires, modules d’amarrage, modules d’interconnexions, sas, modules polyvalents), d’autre part d’éléments non pressurisés qui assurent différentes fonctions telles que la fourniture d’énergie, la régulation thermique, la maintenance (bras robotiques) et le stockage d’expériences scientifiques et de pièces détachées.
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Sources : Wikipédia, YouTube.