La construction de la station a mobilisé de 1998 à 2011 de nombreux vaisseaux chargés de placer en orbite les 400 tonnes de la station. La station doit être également régulièrement ravitaillée en consommables (eau, nourriture, gaz, carburant), rechanges (par exemple les batteries dont la durée de vie théorique est de 6,5 ans et en pièces détachées pour les réparations : ce fret représente un tonnage annuel d'environ 16 tonnes pour un équipage permanent de 6 personnes selon les calculs de la NASA. Par ailleurs certains équipements, représentant un fret plus réduit, doivent être ramenés sur Terre pour que la station spatiale puisse fonctionner : résultats des expériences scientifiques, scaphandres à réviser, etc. Enfin, les vaisseaux servent également à évacuer les déchets produits par la station.

Les vaisseaux utilisés

La navette spatiale, en service jusque début 2011, est au cœur du dispositif d'assemblage et de ravitaillement de la station spatiale. Les principaux partenaires participent également à ces opérations avec leurs propres vaisseaux. Ceux-ci présentent des capacités très variables en masse, volume et type de cargaison. Les principaux paramètres sont :

• la charge utile totale en tonnes ;
• le volume et le tonnage en soute pressurisée pour le fret à destination de l'intérieur la station spatiale ;
• le volume et le tonnage en soute non pressurisée pour les pièces destinées à l'assemblage à l'extérieur de la station. Le transfert d'objets de l'intérieur de la station vers l'extérieur via les sas aux faibles dimensions est limité aux toutes petites pièces : il est donc nécessaire que les pièces détachées à installer à l'extérieur de la station arrivent dans une soute accessible depuis l'extérieur ;
• la taille de l'écoutille de la soute pressurisée qui conditionne le transport de pièces encombrantes : circulaire de type russe ou APAS d'une superficie de 0,5 m2 utilisée sur les cargos ATV et Progress ou de format carré (CBM) propre aux ports de la station de 1,61 m2 (partie non russe) mise en œuvre par le cargo japonais et la navette spatiale. Seul le port CBM permet de faire passer les équipements internes de la partie non russe de la station ;
• la capacité de transport de liquides (eau), carburant (pour les moteurs-fusées) et de gaz (oxygène, azote, air, etc) ;
• la capacité de remorquage qui est utilisée pour rehausser l'orbite de la station et qui dépend de la puissance des moteurs et de la quantité de carburant destinée à la propulsion.

La navette spatiale américaine

La navette spatiale est le plus polyvalent des vaisseaux participant au programme car elle peut transporter tout à la fois du fret pressurisé, du fret non pressurisé dans une soute particulièrement volumineuse, ramener du fret sur Terre ou contribuer à la relève des équipages. Elle est de plus équipée d'un bras piloté depuis la cabine de la navette qui lui permet d'extraire les charges utiles qu'elle transporte. Sa capacité de transport, bien que pratiquement divisée par deux par le choix d'une orbite favorable aux lanceurs russes, est particulièrement importante (16,4 tonnes). Enfin sa baie de grande taille (4,6 m par 18,3 m, pour un volume de 300 m3) lui permet de placer en orbite les composants de la station les plus encombrants. La navette s'arrime à la station spatiale via l'un des deux adaptateurs pressurisés (PMA) qui assurent la compatibilité entre le diamètre de l'écoutille de son sas et les ports de la station.

La navette spatiale transporte le fret à destination de l'intérieur de la station grâce à un container pressurisé placé dans sa baie cargo : le Module Logistique Multi-Usages (MPLM) italien, construit sur le modèle du Colombus européen, comporte seize emplacements de racks et dispose d'une écoutille de grande taille au format des ports de la station. Lorsque la navette est parvenue à la station, le container pressurisé est amarré à un port CBM de la station à l'aide du bras Canadarm de la navette.

La navette spatiale peut également transporter le Spacehab, un module pressurisé qui reste dans la soute, et qui peut, entre autres, servir au ravitaillement de l’ISS. Mais il n'est plus utilisé depuis août 2007 et la mission STS-118.

Le cargo russe Progress

Le cargo russe Progress peut transporter 3,2 tonnes de ravitaillement dont 1,8 tonne de carburant pour la station. Il dispose d'une capacité de remorquage de la station significative. Le cargo s'amarre automatiquement à la station grâce au système Kurs qui utilise des impulsions radar pour calculer les corrections de sa trajectoire et s'amarrer.

Le vaisseau russe Soyouz

Le vaisseau russe Soyouz, qui permet de transporter trois personnes, sert uniquement à relever l'équipage. Après le retrait de la navette spatiale, c'est le seul vaisseau jouant ce rôle jusqu'à ce que le vaisseau spatial américain chargé de remplacer la navette spatiale américaine soit au point (véhicule commercial ou Orion selon le sort du programme Constellation). Deux vaisseaux Soyouz sont amarrés en permanence à la station pour permettre l'évacuation de celle-ci en cas d'urgence. Le Soyouz a une capacité très limitée (quelques dizaines de kg) d'emport de fret aller et retour.

Le véhicule automatique de transfert européen

L'ATV est un vaisseau cargo automatique développé par l'Agence spatiale européenne pour ravitailler la station spatiale. Il est lancé par une Ariane 5 ES ATV et se présente sous la forme d'un cylindre de 4,85 mètres de diamètre sur 10 mètres de longueur. Il peut transporter jusqu'à 7,7 tonnes de fret dont 4 700 kg de carburant pour le remorquage, 860 kg de carburant pompés dans les réservoirs de la station spatiale, 4 500 kg de fret dans une soute pressurisée, 100 kg d'air ou oxygène et 800 kg d'eau. L'ATV dispose de quatre gros moteurs de propulsion qui lui permettent de rehausser à la demande l'altitude de la station durant son temps d'amarrage (6 mois). Il est conçu pour s'amarrer automatiquement au module Zvezda. Son écoutille de modèle russe ne lui permet pas de transporter le fret encombrant. Il n'a pas de capacité de transport de fret non pressurisé. Il est prévu de lancer un ATV tous les quinze mois.

Le H-II Transfer Vehicle japonais

Le vaisseau cargo japonais HTV, développé par le Japon dans le cadre de sa participation à la station spatiale, peut transporter 4,5 tonnes de fret dans sa soute pressurisée et 1,5 tonne dans un espace non pressurisé. Disposant d'une écoutille de grand diamètre qui permet une connexion directe aux ports de la partie non russe de la station spatiale, il peut, contrairement à l'ATV, transporter les pièces les plus volumineuses qui équipent l'intérieur de la station spatiale internationale (format rack). Pour opérer sa jonction avec la station spatiale le vaisseau cargo HTV, qui a été lancé par le lanceur japonais H-IIB, approche en mode automatique de la station spatiale en utilisant un GPS différentiel puis parvenu à 500 mètres un laser dont le rayon lumineux se réfléchit sur une mire installée sur la station. Arrivé à 10 mètres de la station le bras téléopéré Canadarm agrippe le vaisseau et réalise la jonction. L'HTV a été lancé pour la première fois en septembre 2009. Six autres missions sont aujourd'hui planifiées.

Les vaisseaux COTS Cygnus et SpaceX Dragon

Pour ravitailler la station spatiale après le retrait de la navette spatiale et s'affranchir au maximum des vaisseaux russes, la NASA a lancé le programme COTS qui confie à des acteurs privés le développement et le lancement de vaisseaux-cargos. Deux vaisseaux, de capacité pratiquement d'environ (2 tonnes), ont été retenus en 2006 et 2008 et entrent en service en 2012 et 2014 :

• le Cygnus de la société Orbital Sciences placé en orbite par une fusée Antares : 8 véhicules ont été commandés chargés de transporter 20 tonnes de fret pressurisé pour un montant de 1,9 milliard de dollars.
• le Dragon de la société SpaceX lancé par la fusée Falcon 9 : 12 missions commandés chargés de transporter 20 tonnes pour un montant de 1,6 milliard de dollars. Contrairement à Cygnus, ce vaisseau peut transporter du fret externe. Le vaisseau Dragon est le seul vaisseau cargo qui dispose d'une capacité à ramener du fret sur Terre depuis le retrait de la navette.

Les deux vaisseaux ont une écoutille aux normes de la partie non russe de la station spatiale. Comme le vaisseau cargo japonais, ils ne disposent pas de dispositif d'amarrage automatique : une fois parvenus à proximité de la station spatiale ils sont amarrés à l'aide du bras Canadarm commandé par l'équipage de la station spatiale.

Les opérations de ravitaillement

Depuis le début de sa construction en 1998 jusqu'à fin 2011 la station spatiale a été ravitaillée par 35 vaisseaux cargo Progress, 3 ATV européens (2008, 2011 et 2012) et 2 HTV japonais (2009 et 2011). La relève des équipages par 20 vaisseaux Soyouz et 31 vols de la navette spatiale américaine a par ailleurs placé en orbite des composants de la station ou amené du ravitaillement ou des pièces détachées. Deux lanceurs Proton ont lancé des modules russes. Enfin deux Soyouz sont immobilisés en permanence pour permettre à l'équipage d'évacuer la station en cas d'urgence. 2010 est une année un peu particulière car elle est à la fois la première année complète avec un équipage de 6 permanents et la dernière année où les opérations d'assemblage battent leur plein : il est prévu de lancer 5 navettes (celle-ci sera retirée du service à l'issue de ces missions), 4 Soyouz, 1 ATV, 1 HTV et 3 ou 4 Progress.