La Station Spatiale Internationale devra répondre à des exigences bien particulières qui ont largement contribué à la finalisation de son architecture.

Parmi ses caractéristiques inédites, on peut noter qu'elle doit impérativement être disponible sans interruption, et habitée en permanence par un équipage international. L'accès doit y être possible fréquemment et de manière régulière. De plus, le complexe orbital doit offrir des ressources en termes de capacités de laboratoire, d'installations et de plates-formes extérieures, de puissance, de télécommunications et de traitement des données susceptibles de faire progresser la science et de faire accélérer les innovations technologiques.

La Station Spatiale doit devenir un véritable institut de recherche ultra-performant à l'entière disposition de la communauté scientifique internationale où des chercheurs pourront se consacrer en permanence à des travaux scientifiques et technologiques dans le but d'apporter des solutions inédites et novatrices à des problèmes rencontrés sur Terre.

En gros, on peut dire que la Station Spatiale Internationale est un gigantesque mécano de quelque 108 mètres de longueur sur 74 mètres de large et une masse de quelque 415 tonnes lorsqu'elle sera terminée sur orbite. Avec un volume habitable de plus de 1200 m³, elle dépassera en complexité, et de loin, tout ce qui a été conçu jusqu'à ce jour. Elle pourra accueillir sept astronautes en permanence, qui se succéderont et se relaieront selon les exigences des missions, et son énergie sera fournie par les plus grands panneaux solaires qui aient jamais été construits, d'une puissance de 110 kW.

 

L'architecture :

L'élément central de l'ISS est le module de fret fonctionnel, connu sous l'abréviation de FGB. Construit par la Russie mais financé par les Etats-Unis dont il reste la propriété, il s'agit en fait d'un véhicule autonome en charge de l'alimentation électrique, de la régulation thermique, ainsi que de la navigation, la propulsion et les télécommunications. Baptisé Zarya, il a été mis en orbite le 20 novembre 1998 par un lanceur Proton depuis Baïkonour.

Unity est le nœud central de la future station. Véritable carrefour, il relie le FGB aux éléments suivants, mais sert aussi d'appui au mât supportant les énormes panneaux solaires. Comportant pas moins de six sas d'amarrage, il a été construit par les Etats-Unis et placé en orbite le 4 décembre 1998 lors de la mission STS-88 de la navette Endeavour.

Ces deux éléments ont été les premiers en orbite. Les autres éléments constitutifs de la station peuvent être classés en sept catégories en fonction de leur maître-d'œuvre respectif. C'est ainsi que nous allons citer successivement L'Europe, les Etats-Unis, la Russie, le Japon, le Canada, l'Italie et le Brésil.

La participation européenne

Le COF, ou Columbus Orbital Facility.

La partie européenne de la station est représentée essentiellement par le module laboratoire européen, dénommé Elément orbital Columbus (COF – Columbus Orbital Facility). Extrêmement polyvalent, ce laboratoire à usages multiples peut être adapté à différentes missions par l'échange de bâtis normalisés à bord, tout comme le avions de ligne à cabines modulaires peuvent se reconfigurer pour différents usages. Le COF sera le lieu de travail privilégié des astronautes et chercheurs européens.

Ce module pressurisé sera raccordé en permanence à la station, dont il fera partie intégrante, et il en recevra toutes les ressources nécessaires. Ses utilisations sont multiples, et portent entre autres sur la science des matériaux, la physique des fluides, les sciences de la vie, la physique fondamentale et de nombreuses autres technologies. Il renfermera aussi la plupart des charges utiles pressurisées européennes.

Le COF se présente physiquement sous la forme d'un cylindre accusant 9500 kg au lancement, mesurant 6,7 mètres sur 4,5 mètres. Raccordé au point de branchement numéro 2 (node 2), il en recevra sa puissance électrique sous la forme de courant continu à 120 volts et d'autres ressources. Sa consommation pourra aller jusqu'à 13,5 kW.

Vu de l'extérieur, le COF est une coque pressurisée cylindrique muni de deux cônes d'extrémité, ainsi que de tourillons servant au transport et à la manutention du module. Rigidifiée et recouverte de plusieurs couches d'isolant thermique et d'un blindage de protection contre les météorites ainsi que les débris spatiaux de plus en plus nombreux, elle est en outre équipée d'une structure d'accrochage sur la coque extérieure en vue des opérations de manutention et d'assemblage au moyen du bras télémanipulateur de la Station Spatiale (SSRMS) pouvant aussi servir à la transmission de signaux électriques et de données au moyen de relais intégrés.

Le COF (Colombus Orbital Facility) européen, vue sur l'aménagement intérieur.

Crédit ESA.

Le cône avant intègre la partie passive d'un mécanisme d'accostage universel (CBM) qui permet la fixation au node 2. Le cône arrière est prévu pour recevoir optionnellement sa propre antenne de liaison et un équipement de télécommunications autonome avec le sol via le système de relais de données européen DRS. Dans la perspective d'une telle évolution future, il pourrait aussi recevoir divers points d'accrochage nécessaires au raccordement d'une plate-forme de charge utile extérieure.

L'aménagement intérieur du module européen est pluridisciplinaire et évolutif. Il a été conçu à la manière d'une cabine d'avion de ligne, de façon à pouvoir être transformé et adapté en fonction des besoins par l'utilisation de bâtis interchangeables. Ce bâtis, qui constituent une évolution technologique majeure, sont dénommés ISPR, pour International Standard Payload Rack. Ils peuvent être acheminés vers la station, installés dan le module puis, plus tard, en être extraits à n'importe quel moment de la durée de vie opérationnelle de la station. Du fait que les modules européen, américain et japonais utilisent le même concept d'ISPR, les bâtis sont interchangeables entre les laboratoires, à l'exception des laboratoires russes qui n'ont pas adopté ce standard.

Le COF peut recevoir simultanément dix bâtis ISPR de type scientifique comportant divers instruments et expériences ainsi que trois bâtis de stockage d'équipements. La capacité de chaque bâti est de 1,5 m³ pour une charge maximale de 700 kg.

Le module laboratoire européen sera acheminé vers la Station Spatiale Internationale dans la soute de la navette, entièrement équipé, comprenant des bâtis et leurs charges utiles initiales d'environ 2500 kg. Au terme de sa vie opérationnelle, il pourra être ramené au sol de la même façon. Le coût du lancement fera l'objet d'un échange contre un vol d'Ariane 5 visant la satellisation de l'ATV.

Concept d'aménagement initial retenu pour le COF.

1, 2 et 3: bâtis configurés pour les programmes de recherches de l'ESA et des agences nationales.

4: bâti express pour des expériences individuelles.

5: bâti de stockage.

Crédit ESA.

Installation de recherche en microgravité à bord du COF.

De gauche à droite:

Modules européens de physiologie;

Laboratoire de sciences des fluides;

Biolab pour les expériences de sciences de la vie;

Bâti de stockage.

Crédit ESA.

L'ATV, ou Automatic Transfer Vehicle

Bien qu'il ne reste pas fixé en permanence à la Station Spatiale Internationale, l'ATV n'en est pas moins un élément des plus importants.

L'ISS sera, ainsi qu'il a été décidé dès le départ du projet, desservi par une flotte mixte. Dans cette optique, l'Europe a décidé d'utiliser son propre système de transport spatial: Ariane 5. Mais conçue pour l'essentiel comme lanceur de satellite, Ariane 5 n'est pas équipée pour effectuer des manœuvres de rendez-vous et d'accostage avec une station spatiale. Il lui faut pour cela un complément "intelligent" possédant l'avionique et les ressources nécessaires, c'est le rôle de l'ATV (Automated Transfer Vehicle).

L'ATV n'est autre que le prolongement de l'étage supérieur d'une Ariane 5. Il se présente donc sous la forme d'un cylindre de 5,45 mètres de diamètre sur 2,5 mètres de longueur. Il est équipé en standard d'un module de propulsion composé de huit petits moteurs à réaction et d'un module d'avionique qui intègre les réservoirs d'ergols, les circuits électroniques ainsi que les systèmes de régularisation thermique, de production d'énergie et de télécommunications.

Trois configuration de base sont prévues pour l'ATV. Il peut notamment recevoir un mini-module logistique pressurisé (MPLM), une coque porteuse et deux palettes logistiques non pressurisées (ULC), ou un module pressurisé en plus d'une structure porte-réservoir ouverte.

Les charges utiles véhiculées par l'ATV se répartissent en deux catégories: celles qui peuvent être exposées au vide spatial et celles qui nécessitent d'être transportées sous atmosphère contrôlée. Dans le premier cas, sa capacité est de 9 tonnes de fret, tandis que dans le second son emport est réduit à 6,7 tonnes. Les charges utiles ne nécessitant pas d'être acheminées dans un module fermé seront montées sur une structure ouverte de type "étagère", comme ce sera le cas pour l'acheminement de réservoirs d'ergols, de gaz ou d'eau. Il est aussi possible de combiner les deux types de charges, pressurisée et non pressurisée, sur un seul ATV.

Mais là ne se limitent pas les possibilités de ce véhicule de transport spatial.

L'ATV, équipé de ses moteurs et d'une capacité d'ergols accrue, sera aussi utilisé pour effectuer les modifications d'orbite de la station, et notamment les "reboosts", c'est-à-dire les rehaussements d'orbite destinés à en compenser l'usure. Au début de la vie de l'ISS, ces "reboosts" seront assurés par des vaisseaux-cargos de type Progress-M russes, mais l'utilisation de l'ATV présente deux avantages essentiels :

Tout d'abord, la capacité d'emport de l'ATV est pratiquement double par rapport au Progress-M, ce qui implique que le nombre de missions sera deux fois moindre pour un même résultat.

Ensuite, cette fonction de "reboost" est considérée par la NASA comme un élément d'infrastructure. Or, si le rehaussement d'orbite est assuré par l'ATV, l'Europe devient fournisseur d'un élément d'infrastructure et, à ce titre, obtient un part du quota d'utilisation des éléments d'installation réservés aux fournisseurs des éléments d'infrastructure. En clair, cela signifie que l'Europe serait autorisée à accroître les droits d'utilisation de son propre module laboratoire au-delà de la base de départ de 51%.

Il faut aussi considérer que sans l'ATV, le Progress-M serait le seul véhicule capable d'assurer le rehaussement d'orbite. Or, pour des raisons aussi bien technologiques que politiques, il est souhaitable de disposer de deux moyens indépendants pour assurer cette fonction, particulièrement vitale pour la station.

L'ATV est conçu pour rester amarré à la station spatiale durant six mois. Dès qu'il aura livré sa charge utile à bord, il sera utilisé pour entreposer les déchets et autres résidus accumulés en cours de mission, puis après désolidarisation, pourra effectuer une rentrée destructive dans les couches denses de l'atmosphère terrestre, où il se consumera.

L'ERA, ou European Robotic Arm

Le bras manipulateur européen est bâti sur un concept tout-à-fait original et unique qui en fait un engin d'exception très différent du bras manipulateur principal de la station ou de son homologue de la navette spatiale américaine.

A chaque extrémité de ce manipulateur symétrique de 10 mètres se trouve un organe préhenseur identique. Son utilisation alternée en tant que "pied" et "main" permet au bras de se déplacer d'un point d'ancrage à un autre à la manière d'une chenille arpenteuse. Ces organes sont conçus pour saisir et relâcher des charges utiles équipées d'un dispositif standard d'accrochage, pour mesurer des forces et des couples, ainsi que pour transmettre des signaux électriques, de donnés ou de vidéo des charges utiles qu'ils ont saisies. Ces organes préhenseurs sont aussi équipés d'un outil de service intégré que l'on pourrait comparer à un tournevis universel. Il peut également recevoir une plate-forme comportant cale-pieds et mains courantes et transporter des astronautes lors de sorties extra-véhiculaires.

L'ERA sera mis en œuvre à partir d'un dispositif d'ancrage monté sur une petite plate-forme mobile capable de se déplacer le long de rails longeant la structure de la plate-forme russe scientifique et d'énergie. En se déplaçant d'un point d'ancrage à un autre, répartis sur d'autres élément de la station, l'ERA élargit considérablement sa zone d'intervention.

Le bras manipulateur européen est conçu pour être aussi bien commandé par un astronaute en activité extra-véhiculaire que pour être activé depuis l'intérieur de la station. Toutes ses tâches peuvent être pré-programmées, de sorte qu'il suffit de les lancer puis de contrôler visuellement son action.

Le coût de la participation européenne est actuellement estimé à 3 milliards de dollars.

Les Etats-Unis

En leur qualité d'initiateurs du projet, les Etats-Unis joueront le rôle principal dans son élaboration et c'est sans surprise que l'on peut constater que la majeure partie de l'ISS leur appartient.

Le module de service Zarya et le Node-1 Unity ayant déjà été décrits, passons en revue les éléments suivants, en commençant par les modules habitables.

Le laboratoire scientifique américain

Il s'agit d'un module pressurisé, habitable, conçu pour accueillir les charges utiles et les expériences devant s'accommoder d'une atmosphère terrestre. Sa capacité est de 24 racks modulables, dont 13 sont spécialement conçus pour recevoir des expériences nécessitant un interfaçage complet avec la station et ses ressources.

Emplacements respectifs du laboratoire scientifique américain (LAB USA), de la centrifugeuse (CAM), du COF et du JEM (laboratoire japonais).

Crédit NASA.

Parmi les premiers éléments à être installés dans ce laboratoire américain, on peut citer notamment:

Material Science Research Design Facility
Ce rack comprend un élément central qui coordonne la collecte et le traitement des données, ainsi que l'enregistrement et la redistribution d'images vidéo, ainsi que deux ensembles de contrôle de la température et de l'environnement des échantillons à traiter dans diverses expériences.

Microgravity Science Glovebox
Il s'agit d'une boîte de manipulation à gants utilisée pour la manipulation d'échantillons en évitant toute contamination, telle qu'on en trouve dans tout laboratoire de biologie terrestre.

Fluids and Combustion Facility
Ce triple rack, conçu par le Lewis Research Center de la NASA, est conçu pour l'étude de la physique des fluides (liquides, gaz et mélanges) et de la combustion en apesanteur. Il comprend une chambre de combustion, des dispositifs de dosage des gaz et des liquides, ainsi que divers systèmes très élaborés d'éclairage, de polarisation, de prise de vues et tous leurs automatismes incluant l'enregistrement vidéo sous forme digitale.

Biotechnology facility
Ce rack comporte six sous-ensembles interchangeables et modulables selon les expériences en cours. Ses éléments seront utilisés dans de nombreuses occasions, qu'il s'agisse de cultures cellulaires, de croissance de cristaux, études des protéines, séparations biochimiques, micro-encapsulation. Chacun de ses sous-ensembles est énergétiquement autonome et peut être alimenté sous différentes atmosphères (oxygène, nitrogène, dioxyde de carbone et argon). Il comporte son propre système informatique et un dispositif indépendant de prises de vues.

Window Observational Research Facility
Cet élément un peu particulier comporte un hublot pratiqué dans la paroi du module laboratoire équipé d'un verre de qualité optique. Il peut recevoir différents instruments dédiés à l'observation de la surface terrestre et sera utilisé notamment pour l'étude des continents ou des phénomènes atmosphériques.

X-Ray Cristallography Facility
Double rack consacré à l'étude des cristaux en apesanteur. La croissance, la multiplication des cristaux peut être étudiée à l'intérieur des cuves de conditionnement de ce dispositif, qui possède un système ultra-perfectionné de manipulation robotisée pilotée par l'équipage, par un ordinateur ou encore par des techniciens au sol. Tous les systèmes de prises de vues et d'analyses, aussi bien chimiques que spectrométriques en lumière visible ou en rayons X sont inclus dans cet élément.

Minus Eighty degrees Celsius Laboratory Freezer for the ISS
Le Minus Eighty degrees Celsius Laboratory Freezer for the ISS (MELFI) a été construit par l'European Space Agency (ESA) sous la direction de la NASA. Il comprend trois unités de vol assurant le transport d'échantillons entre le sol et la station spatiale pouvant prendre place aussi bien dans la soute de la navette que dans le laboratoire scientifique. Ces racks comportent quatre unités de réfrigération autonomes pouvant assurer des températures régulées de -80°C, -26°C et +4°C.

La Centrifugeuse
Le Centrifuge Accommodation Module (CAM) se présente sous le même gabarit que le laboratoire scientifique, dont il partage la même interface et les mêmes ressources. Le CAM est construit par l'Agence Spatiale Japonaise (NASDA) sous contrat avec la NASA. Sa fonction, comme son nom l'indique, est d'étudier l'effet de différents niveaux de gravité (de 0,01g à 2g) sur la structure et la fonction de plantes ou d'animaux obtenus en microgravité.

Il est composé d'une centrifugeuse consistant en un rotor de 2,5 mètres de diamètre, comportant de nombreux emplacements d'expériences et son propre système de contrôle. Ce rotor, caréné, est disposé en bout d'élément.

Deux racks sont présents à bord du CAM:

Life Science Glovebox (LSG) est une boîte à gants biologique spécialement conçue pour l'étude du vivant.

Habitat Holding Racks (HHRs) fournit les supports d'expériences ayant trait à la science du vivant, y compris l'énergie électrique, les transmissions de données et divers autres équipements scientifiques.

Le module d'habitation

Bien que n'ayant aucune fonction scientifique, cet élément est considéré comme capital aux yeux de l'équipage puisqu'il devrait constituer leur habitat privé durant plusieurs mois. Cependant, une récente décision de l'administration Bush Jr en a annulé le lancement pour raisons d'économie...

Conçu pour assurer un maximum de confort à six personnes, en leur garantissant toute l'hygiène voulue (toilettes, douche en apesanteur) ainsi que l'équipement indispensable aux soins de santé et du corps en général, il aurait du aussi abriter les réserves alimentaires dans ses frigos et congélateurs, ainsi que de la nourriture lyophilisée et les moyens de la réhydrater. Ce module avait été pensé afin d'assurer aussi un minimum d'intimité à chacun des membres de l'équipage.

La liste serait incomplète si nous ne citions pas encore :

Le sas de sortie

Elément à part entière, celui-ci est fixé au Node-1 déjà en orbite. Comme son nom le révèle, sa fonction sera de permettre le passage entre l'intérieur, pressurisé, de la station, et le vide spatial. Il est étudié pour recevoir des astronautes équipés aussi bien de l'Extravehicular Mobility Unit (EMU) américain que du Russian Orlon EVA, son équivalent russe. Deux astronautes peuvent y prendre place simultanément.

Vue imprenable sur la Terre depuis la coupole de la Station Spatiale Internationale. Crédit ESA.

La poutre et les panneaux solaires

1. La coupole.
2. Le module d'habitation américain (incertain).
3. Véhicule de transfert (ici un Soyouz).

Crédit ESA.

Sans conteste, le générateur électrique en sera la marque la plus visible. Composé de huit panneaux solaires fixés au bout de leur propre mât de près de 20 mètres trouvant ancrage sur le module de service Zvezda, il assure l'autonomie énergétique de toute la section.

Vue sur la section russe de la Station Spatiale Internationale, un vaisseau cargo Progress y est ici arrimé. Crédit ESA.