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La station spatiale internationale ISS

La Station spatiale internationale (en abrégé SSI [rare en Europe, commun au Québec] ou ISS [commun en Europe et au Québec] d'après le nom en 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 (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.

        

NAISSANCE DU PROJET (1985)

     

La NASA identifie à l'époque huit fonctions pouvant être remplies par la station spatiale :

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.

    

LES MODULES PRÉSURISÉS

     

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 différent.

     

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 Harmony) 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 ;

Équipement 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 ajoutés).

    

LES ÉQUIPEMENTS DE RECHERCHE SCIENTIFIQUE

     

Les équipements de recherche scientifique sont installés à la fois dans la partie pressurisée de la station et sur des palettes exposées au vide. En 2012 toutes les structures destinées à héberger des équipements de recherche ont été mises en orbite hormis le module Nauka qui doit l'être en 2017. Parmi les équipements scientifiques installés on peut distinguer les équipements multi-usages (réfrigérateurs, express racks...), les mini laboratoires consacrés à la biologie, à la physiologie humaine, aux sciences des matériaux et enfin les expériences d'observation de la Terre et d'étude de l'Espace. Fin 2009 environ un tiers des emplacements destinés à recevoir des expériences étaient vides.

Toutes ces expériences sont pilotées à la fois par l'équipage permanent de la station spatiale et depuis les centres de contrôle des pays participants situés sur Terre. Ces derniers peuvent généralement recevoir les données recueillies par des capteurs et déclencher des séquences d'opérations si elles ne nécessitent pas de manipulations.

    

LES ÉQUIPEMENTS MULTI-USAGES

     

Les Express racks. Les Express racks sont des équipements permettant d'accueillir dans des tiroirs amovibles plusieurs expériences (jusqu'à huit). Il y a sept Express racks répartis dans les laboratoires de la station. Certaines expériences ont vocation à rester en permanence tandis que d'autres séjournent un temps limité. Chaque Express rack occupe une baie au format standard ISPR71.

Les réfrigérateurs. Le Minus Eighty degrees Celsius Laboratory Freezer for the ISS (MELFI) réalisé par l'ESA a une capacité de 175 litres et permet de conserver des échantillons biologiques à -80 °C, -26 °C ou +4 °C. General Laboratory Active Cryogenic ISS Equipment Refrigerator (GLACIER) est un réfrigérateur de 11,35 litres dont la température est maintenue à -165 °C. Microgravity Experiment Research Locker/Incubator (MERLIN) peut être utilisé comme réfrigérateur, congélateur ou incubateur avec une température qui peut être fixée entre -20 °C et +48,5 °C. (capacité 4,17 litres).

Les boîtes à gants. Deux boites à gants sont disponibles l'une fixe de grande dimension (MSG), l'autre (PGB) plus petite et portable.

     

LES ÉQUIPEMENTS DE RECHERCHE BIOLOGIQUE

      

Les équipements de recherche biologique comprennent notamment :

Des serres (comme ABRS de la NASA, Biolab de l'ESA, LADA de Roscosmos, ECMS) dont l'environnement (lumière, composition de l'atmosphère, température) peut être contrôlé. Des végétaux y sont cultivés ou des organismes vivants de petite taille y sont élevés (insectes, araignées). L'objectif est d'étudier l'influence de l'apesanteur et des radiations sur la croissance et la reproduction. Certaines expériences comprennent une centrifugeuse pour moduler la gravité,

Un aquarium (Aquatic Habitat de JAXA) permettant l'étude de petits poissons (Oryzias latipes et poisson zèbre).

Des incubateurs (CGBA et BSTC de la NASA, Kriogem-3M de Roscosmos, Saibo de JAXA) permettant d'étudier la croissances des cellules,

Des expériences destinées à étudier la croissance osseuse (EBCS de CSA, MDS),

Expose, une expérience de l'ESA permettant de soumettre des échantillons aux conditions régnant dans l'espace.

Les équipements de recherche sur la physiologie humaine

Les équipements de recherche biologique comprennent notamment :

Human Research Facility (HRF-1 and HRF-2) de la NASA et European Physiology Modules (en) (qui comprend Cardiolab du CNES) de l'ESA sont un ensemble d'instruments permettant de mesurer l'effet des séjours de longue durée dans l'espace. MARES et PEMS se concentrent sur l'incidence de la microgravité sur les muscles,

Étude de la fonction pulmonaire (PFS),

Mesures de la distribution des radiations (mannequin Matryoshka, EVARM de CSA) et de leur effet (ALTEA de la NASA incidence sur la vue et l'activité cérébrale)

Les équipements d'entretien physique les plus récents (tapis roulant Colbert, cycloergomètre CIVIS, ARED) sont équipés de capteurs qui fournissent un certain nombre de paramètres physiologiques aux équipes au sol,

L'adaptation de l'homme à l'absence de gravité est également étudiée à travers les expériences HPA (adaptation des mouvements impliquant les mains et les bras) et ELITE-S2 (vision et activité cérébrale associée).

           

LES ÉQUIPEMENTS DE RECHERCHE SUR LA PHYSIQUE ET LA SCIENCE DES MATÉRIAUX

            

Les équipements de recherche sur la physique et la science des matériaux comprennent notamment :

Combustion Integrated Rack (CIR) de la NASA permet d'étudier les phénomènes de combustion.

Fluid Science Laboratory (FSL) de l'ESA, Fluids Integrated Rack (FIR) de la NASA et DECLIC du CNES sont des équipements permettant d'étudier le comportement des fluides.

GHF de JAXA est un four électrique permettant de générer des cristaux de grande qualité.

Materials Science Research Rack (MSRR-1) est un mini laboratoire permettant l'étude de matériaux tels que des polymères, cristaux, céramiques, alliages et semi-conducteurs.

SpaceDrums de la NASA permet d'opérer (combustion) sur des matériaux solides et fluides maintenus en suspension grâce à l'émission d'ultrasons.

Ryutai de JAXA est un rack rassemblant plusieurs expériences sur les fluides.

SHS de Roscosmos est un four à très haute température (3 000 K).

MISSE de la NASA permet de tester la résistance de composants à l'exposition dans l'espace : électronique, optique, capteurs, équipements de communication, composants structurels et revêtements.

          

L'OBSERVATION DE LA TERRE ET L’ÉTUDE DE L’ESPACE

       

Certains équipements de recherche sont installés à l'extérieur des modules pressurisés. Plusieurs points d'attache, disposant d'une alimentation électrique et de liaisons informatiques, sont disponibles à différents endroits de la station :

quatre palettes, les ExPRESS Logistics Carriers, peuvent soit recevoir des expériences scientifiques exposées dans le vide spatial soit servir de lieu de stockage pour des pièces détachées. Elles sont installées au-dessus et au-dessous de la poutre pour permettre l'exposition des expériences au choix face à la Terre ou face à l'espace. Les équipements scientifiques sont alimentés en énergie et reliés par des liaisons à haut et à bas débit aux données scientifiques.

l’Experiment logistic module – Exposed section (ELM ES) est une palette prolongeant à l'extérieur le laboratoire japonais et destinée à recevoir les expériences scientifiques japonaises. Un sas permet de faire passer des expériences depuis l'intérieur du laboratoire Kibo et un bras manipulateur télécommandé permet de mettre en place ou retirer des équipements sans avoir à effectuer de sorties extravéhiculaires ;

quatre points d'ancrages extérieurs pouvant recevoir des expériences scientifiques sont disponibles à l'extérieur du laboratoire de recherche européen Columbus (Columbus External Payload Facility ou CEPF) ;

quelques expériences disposent de support et de liaisons électriques et informatiques à l'extérieur du module russe Zvezda ;

sur la poutre un emplacement spécifique est réservé au spectromètre magnétique Alpha.

         

Les équipements d'observation de la Terre et d'étude de l'Espace comprennent en 2009 :

le Window Observational Research Facility (WORF), un hublot de grande taille situé dans le laboratoire Unity et équipé d'un verre de qualité optique. Il peut recevoir différents instruments pour l'observation de la surface terrestre et est utilisé notamment pour l'étude des continents ou des phénomènes atmosphériques ;

Solar de l'ESA, mesurant avec un triple spectromètre l'irradiance du Soleil ;

EuTEF de l'ESA, mesurant à l'aide de 9 instruments et échantillons l'incidence de l'environnement spatial et des radiations ;

MAXI, de l'agence spatiale japonaise JAXA, étudiant les sources de rayons X ;

SMILES de JAXA, étudiant les traces de gaz dans la stratosphère ;

SEDA-AP de JAXA, mesurant les caractéristiques de l'environnement autour de la station spatiale ;

le spectromètre magnétique Alpha, installé en mai 2011, un spectromètre magnétique mesurant avec grande précision les flux de rayons cosmiques de haute énergie chargés électriquement qui ne peuvent être observés qu'indirectement depuis la surface de la Terre. Cet équipement lourd (plus de 6 tonnes) installé directement sur la poutre doit fournir des informations sur la matière noire et l'antimatière présentes dans l'univers.

     

ÉNERGIE

      

L'énergie est vitale pour le fonctionnement de la station spatiale et la survie de ses occupants : par ailleurs elle conditionne souvent la réalisation des expériences scientifiques. Pour la partie non russe de la station, l'énergie provient des panneaux solaires installés sur la poutre de la station. Sur celle-ci, huit panneaux solaires doubles (Solar Array Wing ou « SAW ») sont installés de part et d'autre des éléments de poutre P3/P4, S3/S4, P5/P6 et S5/S6. Un « SAW » comporte deux panneaux composés chacun de 16 400 cellules photovoltaïques maintenus en position par un mât formant un ensemble long de 34 mètres, large de 12 mètres et pouvant produire jusqu'à 32,8 kW de courant continu. Le courant est régulé à 160 Volts, puis converti à une tension de 120 Volts (pour faire face aux baisses d'alimentation), avant d'être convoyé jusqu'aux différents équipements utilisateurs. Les équipements de régulation du courant sont refroidis à l'aide d'un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur (de l'ammoniac), qui évacue la chaleur grâce à un ensemble de radiateurs attachés à chaque élément de poutre porteur de panneaux solaires. Chacun de ces quatre radiateurs photovoltaïques (PVR), comportant sept éléments d'une surface totale de 13 mètres sur 3,4 mètres et pesant 0,8 tonnes, permet d'évacuer jusqu'à 9 kW d'énergie.

Généralement, les panneaux solaires sont orientés de manière à maximiser l'énergie solaire. Deux types de joints tournants motorisés (alpha et beta) permettent d'orienter les panneaux avec deux degrés de liberté. Si les impératifs de fourniture d'énergie ne sont pas prioritaires, les panneaux peuvent être orientés de manière à réduire la traînée. C'est la disposition généralement adoptée lorsque la station se trouve à l'ombre de la Terre (configuration « Night Glider mode »). Il peut toutefois arriver que la station déploie volontairement ce « frein aérodynamique » pour abaisser son orbite et permettre à un vaisseau lourdement chargé de l'atteindre plus facilement. Durant les éclipses, lorsque la Terre intercepte le flux lumineux, qui se produisent en moyenne durant un tiers d'une révolution de la station autour de la Terre, les panneaux solaires ne sont plus éclairés et la station utilise l'énergie stockée dans un ensemble de batteries nickel-hydrogène qui sont rechargées durant les périodes de « jour ».

La partie russe de la station est alimentée par 4 panneaux solaires installés sur les modules Zarya et Zvezda. Il était prévu que la Russie installe le Science Power Platform (SPP), un ensemble de panneaux solaires de taille conséquente permettant à la partie russe de la station d'être autonome sur le plan énergétique, mais le module qui devait les porter a été abandonné ainsi que le laboratoire spatial associé, pour des raisons budgétaires. Il est finalement prévu que les modules russes utilisent l'énergie électrique produite par les panneaux solaires installés sur la poutre avec une tension ramenée à 28 volts.

          

CONTRÔLE THERMIQUE

       

L'activité humaine et les expériences scientifiques génèrent à l'intérieur des modules pressurisés un excédent de chaleur qui doit être évacué. À l'extérieur, les équipements et les modules doivent être protégés des contrastes thermiques générés par l'exposition directe ou l'absence d'exposition au Soleil, qui engendrent des écarts de température compris entre -126 °C et 149 °C. Le système de contrôle thermique a pour rôle de maintenir dans une fourchette de température acceptable les différents composants de la station. Cet objectif est accompli par plusieurs types de moyens, soit passifs, soit actifs.

Le moyen passif le plus courant est l'utilisation de revêtements isolants multicouches constitués de feuilles d'aluminium et de kapton séparées par des plots en polyester, qui réduisent sinon annulent le transfert thermique. Par ailleurs, des peintures ou des dépôts de couches superficielles choisies permettent de modifier l'émissivité ou au contraire la réceptivité thermique. Lorsque les solutions précédentes ne suffisent pas à faire face aux grands gradients de température, des résistances thermiques sont ajoutées. Enfin on peut avoir recours à un liquide caloporteur pour transporter sur de courtes distances la chaleur qui est évacuée par changement d'état du liquide (passage en phase gazeuse) et l'utilisation de radiateurs.

À l'intérieur des modules pressurisés, les méthodes passives sont remplacées par un système actif. Dans la partie non russe de la station, la chaleur est évacuée par un circuit dans lequel circule de l'eau qui est mise au contact des équipements générateurs de chaleur. Un échangeur transfère les calories collectées à un deuxième circuit situé à l'extérieur dans lequel circule de l'ammoniaque plus efficace que l'eau dans ce rôle mais trop dangereux pour être utilisé à l'intérieur des modules : ce circuit amène la chaleur jusqu'à deux ensembles de radiateurs (Heat rejection system HRS) installés respectivement sur les segments S1 et P1 de la poutre. Chaque radiateur peut évacuer 35 kW et est composé de 24 panneaux formant un ensemble de 22 mètres sur 10 mètres, et pesant 3,7 tonnes. La partie russe de la station utilise pratiquement le même système et dispose de ses propres radiateurs. Les systèmes russes et américains ne sont pas interconnectés.

     

TÉLÉCOMMUNICATIONS

      

Les communications radio sont essentielles pour les opérations de la station spatiale : elles permettent les échanges des données télémétriques et scientifiques entre la station et les centres de contrôle de mission répartis autour du globe. Elles sont également utilisées durant les manœuvres de rendez-vous et d'accostage ainsi que pour les échanges entre les membres de l'équipage, les contrôleurs de vol et avec les membres de la famille. Pour assurer ces liaisons, la station spatiale dispose de plusieurs systèmes de télécommunications.

Le premier système installé chronologiquement est l'équipement russe VHF Regul qui permet, entre autres, les transmissions de données télémétriques entre la partie russe de la station et le centre de contrôle de mission installé à Moscou (TsUP) via un réseau de stations de réception terrestres et les constellations de satellites de télécommunications Loutch et Molnia. Les transmissions passent par l'antenne Lira installée sur le module Zvezda. À l'intérieur de la partie russe de la station, les échanges radios sont assurés par un système analogique utilisant une liaison en cuivre.

La partie non russe de la station spatiale a recours à deux systèmes de communication radio distincts dont les antennes sont montées sur le segment central Z1 de la poutre : une liaison en bande S utilisée pour les communications en audio et une liaison en bande Ku utilisée à la fois pour l'audio, la vidéo et les données. Ces communications sont relayées par le réseau de satellites de télécommunications géostationnaires TDRS permettant une liaison quasiment continue avec le centre de contrôle de mission de la NASA (MCC-H) à Houston. Ce système de télécommunication peut être également utilisé pour transmettre des données au centre de contrôle de Moscou par le biais d'une liaison téléphonique permanente entre le centre de contrôle de Houston et celui de Moscou85. Les données échangées avec le bras téléopéré Canadarm 2, les laboratoires Colombus et Kibō sont routées également via les réseaux en bande S et Ku ; s'ils sont mis en place, le futur système European Data Relay Satellite et son équivalent japonais pourront être également utilisés. À l'intérieur de la station les communications sont assurées par un réseau sans fil numérique interne.

Un système radio en UHF est utilisé durant les sorties extravéhiculaires : les Russes peuvent ainsi communiquer soit avec la partie russe de la station soit avec le centre de contrôle au sol sur Terre à condition qu'une station terrestre soit à portée (mais dans ce dernier cas avec parfois des interférences créées par la radio du contrôle du trafic aérien au sol) tandis que les autres astronautes sont en liaison avec la partie non russe de la station.

Les liaisons UHF sont également utilisées durant les manœuvres d'accostage et de séparation avec la station par les vaisseaux Soyouz, Progress, HTV, ATV et la navette spatiale (celle-ci utilise toutefois également les bandes S et Ku via le réseau TDRSS) pour recevoir des instructions des centres de contrôle de mission sur Terre et de l'équipage de la station spatiale. Les vaisseaux qui fonctionnent en mode automatique comme l'HTV et l'ATV disposent par ailleurs de leur propre système de communications : l'ATV utilise un laser installé sur le vaisseau et un jeu de miroirs installés sur le module Zvezda, désigné sous l'appellation Proximity Communications Equipment pour accoster la station tandis que l'HTV utilise pour son approche un système basé sur le réseau GPS.

     

SYSTÈME DE SUPPORT DE VIE

      

Le système de support de vie de la station spatiale est chargé du maintien d'un environnement viable pour l'équipage à l'intérieur des modules pressurisés. Dans l'espace entièrement clos et isolé de la station, cela implique principalement de remplacer périodiquement le dioxygène consommé par les astronautes, d'éliminer le dioxyde de carbone expiré, de filtrer les micro-organismes, particules et gaz organiques, de mettre à disposition l'eau nécessaire aux différents usages, de contrôler et maintenir la température, la pression et la composition de l'atmosphère dans une fourchette fixe et enfin de surveiller l'apparition d'incendie et éventuellement de le combattre.

Pour limiter la masse des consommables (eau et oxygène) transportés par les vaisseaux cargo, la station est équipée de systèmes permettant de recycler l'eau et de régénérer l'atmosphère de la station. Ceci permet de réduire la masse des consommables à placer en orbite annuellement de 6,7 tonnes pour un équipage permanent de 6 personnes.

Jusqu'en 2008 cette fonction était uniquement prise en charge par le système Elektron installé dans le module russe Zvezda tandis que le dioxyde de carbone était éliminé grâce au système Vozdukh à bord du même module. Cet équipement a été par la suite renforcé par le système américain ECLSS installé dans trois racks du module Tranquility et composé du système OGS pour la régénération de l'atmosphère et WRS (Water Recovery System) qui collecte toutes les eaux usées, eaux de toilette, urine, vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère de la cabine. L'urine est distillée dans un premier sous-ensemble (UPA) puis le Water Processor Assembly (WPA) traite les autres eaux usées et le produit de l'UPA. Après avoir séparé les gaz et les particules solides, WPA élimine les déchets organiques et les micro-organismes grâce à un ensemble de filtres et à un réacteur catalytique à haute température puis génère de l'eau potable.

Cette installation a permis de faire passer l'équipage permanent à six personnes. La consommation en eau par homme est estimée à 3,5 litres par jour : sur ce volume, WRS permet d'économiser 1,3 litre en recyclant l'urine et autres eaux usées, tandis qu'Elektron en récupère 1,5 en condensant l'humidité de la cabine.

Les deux systèmes produisent de l'oxygène par électrolyse de l'eau ; le système américain peut potentiellement combiner l'hydrogène produit par l'électrolyse avec le CO2 expiré par l'équipage en générant de l'eau et du méthane ce dernier étant expulsé à l'extérieur. Il existe un système de secours reposant sur des réserves d'oxygène stockées en bouteilles et des générateurs d'oxygène à partir de produits solides.

D'autres sous-produits du métabolisme humain comme le méthane produit par le système intestinal et l'ammoniaque contenu dans la sueur sont éliminés par des filtres à cartouche de charbon activé. L'atmosphère à bord de la station est maintenu à une pression similaire à celle de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer soit 101,3 kPa. L'utilisation d'une composition analogue à celle de l'atmosphère terrestre est plus confortable pour l'équipage et bien plus sûre qu'une atmosphère d'oxygène pure.

    

LA VIE À BORD DE LA STATION

     

L'EMPLOI DU TEMPS DE L’ÉQUIPAGE

     

L'heure légale à bord de la station est, de manière arbitraire, l'heure UTC (Paris est à UTC+1 en hiver). Lorsque la station reçoit la visite de la navette spatiale, l'équipage de la station se cale généralement sur la référence horaire de la navette (Mission Elapsed Time ou MET), qui est fixée en fonction de l'heure de lancement de celle-ci.

Une journée typique à bord de la station démarre à 6 heures. Une inspection de la station est effectuée puis l'équipage prend son petit déjeuner. Une conférence a lieu avec le centre de contrôle pour organiser la journée avant d'entamer le travail à 8 h 10. Une séance d'exercice physique est planifiée au cours de la matinée de travail. Cette dernière s'achève à 13 h 5. Après une pause déjeuner d'une heure, le travail reprend avec un nouvel exercice physique intercalé au cours de l'après-midi. La journée de travail s'achève à 19 h 30. Le dîner et une réunion de l'équipage suit. Enfin la période allouée au repos démarre à 21 h 30. En général, l'équipage travaille dix heures par jour en semaine et cinq heures le samedi, le reste du temps étant consacré aux activités de détente.

     

LES PHASES DE REPOS

     

La station comporte des compartiments destinés au repos : deux dans la partie russe, deux dans le module Harmony, un dans le module Kibo. Les compartiments américains sont amovibles et s'installent dans un emplacement de rack tandis que les Russes disposent de mini-cabines avec des cloisons en dur. Dans les deux cas, l'occupant y dort dans un sac de couchage accroché à la paroi ; il peut y écouter de la musique, utiliser un ordinateur et y stocker quelques effets personnels. Les visiteurs, qui n'ont pas d'emplacement réservé pour dormir, accrochent leur sac de couchage sur une cloison libre (on peut dormir en flottant dans la cabine mais généralement les astronautes évitent de le faire car ils peuvent heurter et endommager durant leur sommeil un équipement fragile). Toutes les 24 heures se succèdent 16 périodes d'obscurité et de jour, aussi, durant la période définie comme étant la nuit, des rideaux obturent les hublots. Par ailleurs il est nécessaire que dans les compartiments affectés au repos l'air soit bien ventilé, car en impesanteur l'air chaud ne monte pas et l'astronaute peut se réveiller à cause d'une sensation d'asphyxie car sa tête se retrouve entourée d'une bulle de dioxyde de carbone exhalée durant son sommeil.

    

L'HYGIÈNE

     

Depuis que le projet de module d'habitation américain a été abandonné, il n'est plus prévu que la station spatiale dispose de douche. Les membres de l'équipage se lavent en utilisant un robinet, des lingettes humides avec du savon présenté dans un conditionnement similaire à celui des tubes dentifrice. L'équipage dispose de shampoing ne nécessitant pas de rinçage et de pâte à dentifrice qui peut être avalée. Il y a deux toilettes dans la station, situées respectivement dans les modules Zvezda et Destiny. Les toilettes utilisent un système de succion généré par un ventilateur semblable à celui mis en œuvre dans la navette spatiale américaine. Les astronautes doivent s'attacher à la cuvette des toilettes, qui est équipée avec un système assurant l'étanchéité durant l'opération. La succion générée par le ventilateur permet d'évacuer les déchets qui sont conditionnés dans des sacs stockés dans un container en aluminium. Lorsqu'un container est plein, il est transféré dans le vaisseau cargo Progress qui l'évacue. Les urines sont collectées à l'aide d'un tuyau, au bout duquel se trouve connecté un embout personnalisé adapté à l'anatomie de l'utilisateur, ce qui permet aux hommes comme aux femmes d'utiliser le même système.

    

LES REPAS

     

Il s'écoule de un à deux mois entre deux ravitaillements et il n'existe pas à bord de réfrigérateurs destinés à la conservation des aliments. La nourriture est donc essentiellement constituée de plats lyophilisés et de conserves auxquels s'ajoutent quelques légumes et fruits frais dans les jours qui suivent l'arrivée d'un vaisseau ravitailleur. Les boissons (sodas…) sont fournies sous forme de poudre déshydratée. Les liquides et les soupes sont conditionnés dans des sachets hermétiques et consommés au moyen d'une paille, tandis que la nourriture solide est consommée en utilisant, comme à terre, une fourchette et un couteau.

Les menus, qui reviennent selon un cycle de 15 jours, sont choisis par chaque astronaute plusieurs mois avant son départ pour la station avec l'aide de diététiciens qui veillent à l'équilibre des repas. Des ajustements sont effectués pour tenir compte des conditions qui règnent dans la station : diminution de la proportion de fer qui est moins bien assimilé car le volume de globules rouges diminue, réduction de la quantité de sodium et augmentation de la dose de vitamine D pour favoriser la croissance osseuse. La nourriture épicée a généralement la préférence des astronautes car, en l'absence de gravité, les senteurs ne montent plus jusqu'aux muqueuses du nez et le sens du goût disparaît en grande partie.

Le ravitaillement est fourni à parts égales par les Russes et les Américains, avec quelques apports des autres partenaires, et transporté par les vaisseaux ravitailleurs disponibles. Les sachets de nourriture destinés à chaque astronaute sont identifiés par une étiquette d'une couleur donnée. L'équipage dispose dans deux des modules (Destiny et Zvezda) de fours permettant de réchauffer les plats et d'un distributeur d'eau qui délivre au choix de l'eau chaude ou froide. La majorité des repas rassemble l'ensemble de l'équipage autour d'une des deux tables installées dans les modules Zvezda et Unity. La moindre miette qui s'échappe dans la cabine doit être collectée pour éviter qu'elle ne vienne s'accumuler et obturer les filtres à air ou d'autres équipements délicats.

        

SANTÉ

          

Le mal de l'espace qui est assimilable au mal des transports au niveau des causes (perte d'orientation) comme des symptômes (nausée), affecte certains astronautes mais disparaît généralement au bout de quelques jours. Le séjour prolongé de 6 à 7 mois en impesanteur a des conséquences physiologiques bien plus importantes. Les plus graves sont l'atrophie musculaire et la décalcification du squelette due à l'absence de stimulation par le poids corporel des mécanismes de renouvellement de la masse osseuse. On constate également une redistribution des fluides corporels entraînant entre autres une congestion faciale (le sang monte à la tête), un ralentissement du rythme cardiaque, une diminution de la production des globules rouges, un affaiblissement du système immunitaire, une perte de poids, une perturbation du sommeil et des flatulences. Cette deuxième catégorie d'effets disparaît toutefois rapidement une fois l'astronaute revenu sur Terre.

Pour réduire les conséquences néfastes de l'impesanteur, la station est équipée de deux tapis roulants (TVIS et T2/COLBERT), deux cycloergomètres (CEVIS et VELO) et une machine de musculation (aRED) sur lesquels chaque astronaute doit pratiquer des exercices durant au minimum deux heures par jour. Les astronautes utilisent des tendeurs pour se maintenir en place. Ces exercices intensifs ne permettent pas de combattre totalement la perte de densité osseuse et l'atrophie musculaire chiffrées respectivement à 7 % et 10 % pour les parties les plus touchées, selon une étude récente sur un échantillon de 15 astronautes ayant séjourné environ 6 mois dans la station.

L'équipage est exposé à un niveau plus élevé de radiation qu'au sol car l'atmosphère terrestre ne bloque plus les rayons cosmiques. Les astronautes reçoivent en moyenne chacun 1 millisievert de radiation par jour, soit la quantité reçue par une personne sur Terre au cours d'une année du fait du rayonnement naturel. Il en résulte une probabilité plus forte que l'astronaute développe un cancer dans le futur (le taux de mortalité par cancer est de 2,48 fois plus élevé chez les astronautes mais l'échantillon est trop faible pour savoir si ce chiffre est représentatif). Un niveau de radiation élevé crée des dommages dans les chromosomes des lymphocytes. Or ces cellules jouent un rôle central dans le système immunitaire et donc tout dommage occasionné à celles-ci réduit l'immunité des astronautes. Au bout d'un certain temps, la faiblesse des défenses immunitaires peut conduire à la propagation d'infections au sein de l'équipage, dont la diffusion est par ailleurs favorisée par le milieu confiné dans lequel ceux-ci vivent. Les radiations favorisent également l'apparition de cataractes. Des boucliers anti-radiations et des médicaments pourraient réduire ces risques à un niveau acceptable, mais les données disponibles sont peu nombreuses. Aujourd'hui tout séjour de longue durée dans la station entraîne un risque croissant. Malgré des protections anti-radiations renforcées par rapport aux stations précédentes comme Mir, le niveau de radiation à l'intérieur de la station spatiale n'a pu être réduit de manière significative, et on pense que de nouvelles avancées technologiques seront nécessaires avant que l'homme puisse effectuer des vols de longue durée dans le système solaire.

     

PRINCIPALES SOURCES

          

Gary H. Kitmacher, Design of the Space Station Habitable Modules, 2002 (lire en ligne) Genèse de l'architecture de la station spatiale.

   

NASA - Mission Operations Directorate Space Flight Training Division, International Space Station Familiarization, 1998 (lire en ligne) Manuel de familiarisation de la station spatiale (document de fond) (399 p.).

   

NASA - Langley Research Center, International Space Station EvolutionData Book Volume I. Baseline Design Revision A, 2000 (lire en ligne) Version plus récente (mais en partie périmée) et plus synthétique mettant l'accent sur les évolutions possibles et le potentiel de recherche de la station (222 p.).

     

John E. Catchpole, The International Space Station: Building for the Future, Springer-Praxis, 2008 (ISBN 978-0387781440).

     

David M. Harland et John E. Catchpole, Creating the International Space Station, Springer-Praxis, 2002 (ISBN 1-85233-202-6).

     

International Space Station Independent Safety Task Force (IISTF), Final report of the International Space Station Independent Safety Task Force (IISTF), février 2007 (lire en ligne) Analyse des risques de perte de la station spatiale ou de son équipage par une commission d'enquête indépendante diligentée par la NASA (119 p.).

        

Marcia S. Smith Congressional Research Service, NASA’S space station program: Evolution of its rationale and expected uses, 2005 (lire en ligne) Synthèse des évolutions des objectifs et de l'architecture de la station spatiale depuis le lancement du projet en 1984 (17 p.).

       

Commission Augustine, Rapport final de la commission Augustine, 2009 (lire en ligne) Rapport final de la commission Augustine chargée d'auditer le programme spatial habité américain (157 p.).

       

P. Johnson-Green (CSA), M. Zell (ESA), T. Nakamura (JAXA), J. Robinson (NASA), G. Karabadzhak (Roscosmos) et I. Sorokin (Roscosmos), Research in space : Facilities on the International Space Station, 2009 (lire en ligne) Description des installations de recherche mises à disposition dans la station spatiale (64 p.).

      

C. Evans and J. Robinson (NASA), International Space Station Science Research Accomplishments During theAssembly Years: An Analysis of Results from 2000-2008, 2009 (lire en ligne) Résultats des recherches scientifiques sur la période 2000-2008. (NASA/TP–2009–213146–REVISION A) (262 p.).

      

Cour des comptes des États-Unis, INTERNATIONAL SPACE STATION : Significant Challenges May Limit Onboard Research, 2009 (lire en ligne) Rapport de la cour des comptes américaines sur les risques et limitations de l'utilisation dans le futur de la station spatiale internationale (39 p.).

      

WIKIPÉDIA NOVEMBRE 2016.