美国宇航局曾制订了一个使用“空间实验室？的十年规划。原规划中曾拟定了1980至1991年间的飞行计划。按照这个计划，“空间实验室”将进行226次飞行。不过，由于航天飞机轨道飞行时间的一再推迟，整个计划的安排做了相应的改变。
宇航局制定的“空间实验室”应用计划中，除了美国的许多实验项目外，还包括由其他用户提出的实验任务。这些任务均由宇航局统一规划和协调。“空间实验室”的美国应用计划中，第一批飞行实验项目里占有最重要地位的是携带大气物理实验设备，进行云物理的实验。
今天的气象学家虽然取得了很大的进展，但是还远不能准确无误地预报天气。准确的气象预报，必须深入地了解水滴和冰晶的生成过程以及电荷在其过程中的作用。也就是说，我们仍不能得到准确的天气预报，是因为我们看不到云在形成过程中的内部状况。
科学家们于很早以前，就一直力图研究分子、原子和初始烟雾状微粒的运动，以及这些微粒如何结合起来开始形成凝结状的。当这些微粒的集合体发展成为云滴时，至少要有100万个这样的云滴结合起来才能形成一个雨点，而是否会成为一个雨点取决于云滴表面的电、化学和空气动力的特性，以及其数量和密度。要准确地进行天气预报或者要改变天气，必须首先了解这些微物理过程。这些过程有许多已在地面宰验室中做过研究并取得了不少的成果。但遇到的最大问题是如何克服重力效应的技术困难。在地面实验云室中，由于重力的影响，雨点和雪花大小的粒子很快就掉进云室底部，而且由于云室四壁的干扰，产生了不必要的气流，以致用地面实验室的观，察结果与真正云的变化做比较时，影响了结论的正确性。为此，宇航局建议建立一座重力影响最小的新型研究系统，由马歇尔空间中心负责研制一个失重条件下的大气云物理实验室。这是一个长106米、高273米、宽076米、重量约470千克的设备。它能装载在“空间实验室”上进行多次使用，并能在各种情况下与其他设备连接。
科学家们对于将来能在新的实验室里，首次在无重力干扰的情况下研究云物理过程非常感兴趣。新的实验室里有一台无支撑的悬浮显微设备，云物理科学家们将能用显微镜确定云滴的特性及其他一些要素。如温度、冰晶的生成及电荷的形成等。有关冻结、溶化、碰撞、充电以及温度变化等过程，都可根据需要，反复多次地长时间地进行观察和照相。由于没有重力的影响，科研人员能比地面人员更真实地研究云形成的过程。这将有助于解释现在仍是未知数的有关云形成的机制。当人类掌握了这些知识，就能知道外部物质进入云层后，是如何改变云形成的自然过程。如果这些实验能够成功的话，预计在21世纪内狂风暴雨将得到控制。因为人们通过遥感技术，能确定出什么样的云适合播种，而不让那种可能产生暴风雨的云形成，甚至人们可以根据需要降雨，或把雨降到能控制水量的区域。云物理实验室的实验放在“空间实验室”的第三次飞行以及以后的多次飞行中。马歇尔空间中心将负责准备、发射以及发射后的全部有关活动。
美国为了广泛地应用“空间实验室”，已决定单独购买第二个“空间实验室”，并已由宇航局向欧洲空间局正式定货。1980年1月30日欧洲空间局与原联邦德国艾诺宇航技术公司签定合同，把这项价值3亿多原联邦德国马克的定货交由主承包商艾诺公司。
经过五年半的研制，在1980年底，第一个“空间实验室”的工程模型，运抵卡纳维拉尔角的肯尼迪空间中心，以进行各种模拟试验。
原联邦德国的艾诺公司有400多名工程技术人员参加了第一代“空间实验室”的研制工作，并取得了一些研究经验。在制定第二代“空间实验室”研制计划中，增加了“空间实验室”飞行任务的能力，以便适应90年代空间站发展的需要并保持欧洲空间工业的竞争能力。第二代“空间实验室”主要增加了动力装置和防热设备，使7～14天的飞行能力延长到30天以上，甚至到印天。在实验室里增添各种有效载荷的辅助装置，以进一步提高执行飞行任务的灵活性。
欧洲空间局关于“空间实验室”的80年代中期计划，包括实验选择、任务计划、有效载荷专家的选拔和训练以及把实验设备总装到“空间实验室”上等内容。可是，由于欧洲各国的经济状况的不景气以及“空间实验室”研制费用增长40％等因素的影响，致使欧洲空间局不得不修改“空间实验室”原来的使用计划。原计划是在首次与美宇航局联合飞行之后，欧洲再进行两次单独飞行，然后原联邦德国自己进行两次飞行。修改后的计划是在第一次联合飞行之后，原联邦德国只进行一次单独飞行，以便在250～400千米高的圆形轨道上完成微重力加速度条件下的试验。而欧洲空间局的两次单独飞行拟改用在美国“空间实验室”上进行。不过，“空间实验室”仍将是一个很有发展前途的空间实验系统。对“空间实验室”的远景规划，做了这样的设想：在80年代末期发展出载人的或自动化的自由飞行“空间实验室”。自由飞行“空间实验室”仍由航天飞机运送到地球轨道上，脱离开航天飞机能在轨道上停留30天以上。它可以最大限度地使用现有的设备和技术，在设计上满足用户的要求，既能延长飞行时间和增加实验的机会，又能增加航天飞机的飞行次数，不影响航天飞机的返回时间，这是一种很经济的途径。它的操作方式可以分为载人的和自动的两种。它具有能在轨道上活动，研制周期短，保养维护时间少等特点。但其体积要受到航天飞机货舱的限制，长不超过长18米长，直径不超过45米，重量不超过29吨。自由飞行的“空间实验室”可用于对地观测、材料研究、空间生产、通信和导航。在对地观测方面，这种自由飞行的“空间实验室”要比无人自动化卫星经济和优越得多。它可以观察野生生物、研究移栖习性，观察农作物的生长，及时发现农作物的病虫害，估计山上的积雪和雪水流量。测量水的贮藏量。在冬季监视北大西洋的航线；在飓风季节，对飓风可以进行连续印天的观察。对于一些天灾，如洪水、森林火灾、地震和暴风雨，可以做短期连续的严密监视。