60年代开始，美国集中力量从发展载人飞船到积极进行载人登月活动，并于60年代末，发射“阿波罗11”号终于登月成功。虽震动全球，红极一时，但耗资巨大，实效不丰，在70年代初发射7艘登月飞船后草草鸣金收兵，“阿波罗”计划就算结束了。至今美国还有人有怨言：为什么不再继续下去？！以致没有在月球上留下一座基地，白白花了大把的美元！
下一步干什么？除了抓紧研制航天飞机外，看到前苏联人的“礼炮”号空间站腾空而起，直上云霄。这样一个“人类第一”又被前苏联人抢走了。因此，决定把登月计划中剩余的物资，拼凑一个名叫“天空实验室”（SkyLaboratory）的空间站，于1973年5月14日用“土星5”号火箭发射上了天，进入近地轨道运行。
“（天空实验室”号总长3612米、直径558米、重约90吨、工作空间为3614立方米，由“土星”工场和“阿波罗”指令服务舱两大部分组成。“土星”工场包括轨道工场、气闸舱、仪器舱、多用途对接舱和太阳望远镜。
“天空实验室”是一种试验型的空间站，到1974年2月，共进行过4次发射。其中只有一座发射成功，在太空先后接待了乘“阿波罗”飞船的3批共9名宇航员驻站工作和生活，分别以28天、59天和84天共计171天进行较长期的太空飞行，共完成了270多项科学实验工作，取得了明显的科研成果，还进行了与军事有关的任务，主要是考察军人在太空长期生活和工作盲幼，证明宇航员完全适应在太空执行某些军事任务，同时还进行了一些军事秘密任务。这座空间站在太空的10个月中接待3批宇航员之后便废弃不用了。6年后的1979年7月11日进入大气层烧毁陨落。
现在看来，美国实际上走的是一条载人飞船-载人登月-航天飞机，最后再发展大型航天站的道路。目前正在研究发展永久性100吨级以上的大型空间站计划。
“天空实验室”像一架巨大的直升飞机。它由轨道工作舱、空气锁、多用途对接舱和太阳望远镜等四大部分组成，连同“阿波罗”飞船，总重82吨，最大直径66米，总长36米。
轨道工作舱是“天空实验室”的主体。它是宇航员在轨道上的生活区和办公室。轨道工作舱由“土星5”号火箭的第三级改制而成，原来的液氢容器当作宇航员的试验室和住房。住房又分隔成餐室、卧室和厕所三部分。
轨道工作舱里充有氧气和氮气的混合气体，舱里气压保持1／3大气压标准上，温度保持在21℃左右。宇航员呼出的二氧化碳和其他臭气等有害气体，都用特殊的化学物品吸收掉。在这样舒适的环境中，宇航员一般不用穿宇宙服，只穿普通的衣服就可以了。
轨道工作舱外面有两块翼状太阳能电池帆板，平均可以送出3700瓦电力，供轨道工作舱里的各种仪器设备用电。
空气锁是“天空实验室”里的一种特殊装置。它是轨道工作舱通向宇宙空间的咽喉。空气锁上装有内外几道门。宇航员要出舱的时候，先打开和轨道工作舱相连的门。宇航员进入空气锁后，关闭这道门，然后打开通往宇宙空间的门，走出舱外。这样，轨道工作舱里的气体不会大量漏走。空气锁正好像是一把用来锁住轨道工作舱里气体不得外跑的锁。空气锁装在轨道工作舱和多用途对接舱之间。轨道工作舱的生命保障系统的主要设备都放在空气锁里。
多用途对接舱有两个对接舱口，用来跟“阿波罗”飞船对接，一个在它的纵轴方向，另一个装在侧边，因此，“天空实验室”可以同时停靠两艘“阿波罗”飞船。宇航员通过对接舱口进入“天空实验室”。多用途对接舱里装有控制太阳望远镜的设备，舱壁上开有两个窗口，其中一个面对太阳望远镜，宇航员通过这个窗口可以一边操作，一边观看太阳望远镜的转动情况。
10吨重的太阳望远镜用来观测太阳。它的结构类似于“阿波罗”飞船的登月舱，用支架固定在多用途对接舱上面。太阳望远镜所需要的电源，由它上面的4块风车状太阳能电池帆板供给。4块太阳能电池帆板平均可以发出2500瓦电力。
1973年5月14日，“土星5”号火箭载着“天空实验室”从地面起飞了。可是，不幸得很，刚飞了63秒，轨道工作舱的防护罩就提前打开了，高速气流立即把防护罩撕掉。两个翼状太阳能电池帆板中的一块也被气流带走，幸存的一块却被防护罩的碎片缠住无法打开。因此，“天空实验室”到达轨道以后，全部电力靠太阳望远镜上的电池帆板提供，使“天空实验室”的电力减少了大半。“天空实验室”处于严重缺电状态，许多仪器设备无法工作，许多科学试验看来就要告吹。另外，轨道工作舱防护罩撕掉后，轨道工作舱外壁直接暴露在太阳光之下，舱里温度急剧上升，平均温度高达50℃左右。这样高的温度，宇航员无法生活和工作。“天空实验室”发生了这样的故障，使得第一批宇航员的起飞被迫推迟了10天。在这10天中，为了抢修“天空实验室”，地面进行了紧张的准备。到5月25日，3名宇航员担负着艰巨的使命乘坐“阿波罗”飞船飞往“天空实验室”。“阿波罗”飞船跟“天空实验室”对接以后，宇航员进入“天空实验室”，宇航员从多用途对接舱的窗口，把一顶10米直径的遮阳伞伸到宇宙空间，遮住了太阳光，使轨道工作舱里的温度很快下降到了27℃左右。此后，两名宇航员穿着宇宙服，爬出“天空实验室”，花了3个小时，用切割工具切去了缠住太阳能电池板的防护罩碎片，终于使幸存的一块翼状太阳能电池帆板打开了，解决了“天空实验室”的用电问题。第一批宇航员完成“天空实验室”的修复任务后，在“天空实验室”里工作和生活了28天，顺利地返回地面。
从“天空实验室”的修复可以看出人在空间的作用是多么重大。如果没有宇航员去修理，那么价值25亿美元的“天空实验室”就将付之东流，成为空间的一堆垃圾。
“天空实验室”先后接待了3批宇航员，共9人。9名宇航员在“天空实验室”里用58种仪器进行了天文、地理和医学等270多项科学研究。用太阳望远镜观测太阳，并拍摄了18万张太阳活动的照片；用6种遥感仪器对地球进行观测，勘探地球资源，侦察军事目标，共拍摄了40000多张地面照片，用7种仪器研究太阳系和银河系的情况；用自行车功量计和下身负压等装置研究长期失重对人体生理的影响；此外，还进行了一些失重条件下的金属加工试验。
“天空实验室”由于轨道不断降低，仪器失灵，无法控制，于1979年7月11日进入大气层烧毁，碎片散落在澳大利亚西南的印度洋近岸地区。
这次“天空实验室”完全由国防部控制进行飞行，圆满结束了美国最长的载人空间飞行。
由于“天空实验室”飞行由国防部负责，获取的许多方面成果未公布于世，只把一般不甚重要的内容公布。而国防部执行军用飞行任务、技术实验，并为未来空间站进行的专门试验，载人机动飞行器手控改进型的试飞，均属于保密范围。“天空实验室”一个主要目的是为载人空间站设计提供飞行依据，也就是说，是美国未来空间站的小规模预演飞行。
初期的“水星”、“双子星”以及“阿波罗”飞船内的宇航员，住在狭窄而有限的舱内，过着幽禁孤独的生活，吃的是膏状食物及塑料袋里的流质，使宇航员失去了在地面上所吃的美味佳肴。“天空实验室”住室比前几类型宇宙飞船要舒适得多，有368立方米的空间供宇航员活动和工作，还有沐浴和个人卫生设备，有约907千克的食品储藏在11个食品储存器和5个食品冷冻器内，调换花样的冷热餐装在金属餐盒内。在空间站没有什么可洗的衣物，因为宇航员换下的衣服都投到垃圾筒里处理掉。在住室的柜内存放着印件夹克、短衬衣和工装，30件外衣，15双鞋袜和手套，以及210条衬裤，还有其他衣服放在应急舱内。高级盥洗室里有55块香皂、90千克毛巾、18万个大小便袋。实际上，盥洗室内也备有医药品，似一个小小医务室，对宇航员进行矿物质和体液平衡的研究。科学家感兴趣的是，在无重力环境下，人体化学变化的准确机制，并研究宇航员返回地面后对正常重力环境的适应能力。