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“双子星座”计划的一项主要内容是实现太空行走，NASA的设计人员考虑到如果为太空行走再设计一个过渡舱，势必会增加飞船的重量和大小，因此采用了一种简化的设计，不安装专门的出舱活动过渡舱，而直接将座舱作为过渡舱 。
“双子星座”飞船的侧部各有一个矩形舱门，它具有极好的关闭密封性，可以在太空中打开和关闭 。执行舱外任务时，航天员先使舱内氧气压力下降，采用航天服的供氧系统呼吸 。当舱门打开时，任舱内氧气散失，出舱进行活动 。当完成任务返回舱内时，关闭舱门后再重新放出氧气，使座舱增压 。
回收方式上，飞船在返回前在轨道上抛掉设备舱，然后发动机舱的4台反推制动火箭点燃，将飞船推入载入轨道，最后再抛掉发动机舱，座舱像水星飞船一样单独再入大气层，下降到低空时打开降落伞，航天员和座舱一道在海上溅落 。
１９６３年５月，美国开始了双子星座计划，目的是研究人类登月所必需的技术和试验人类在太空中飞行的耐力 。
双子星飞船一共制造了１２艘，分别用高２７米，重１３６吨，推力３５吨的大力神２型火箭发射 。
最初两艘双子星座飞船的飞行，并不载人，目的是对大力神２型火箭和双子星座飞船进行飞行试验 。１号于１９６４年４月８日发射入轨，２号于１９６５年元月发射入轨 。两次无人驾驶飞船的发射和重返大气层的试验，表明火箭性能稳定，飞船能耐住返回地球的考验 。
１９６５年一共发射入轨了５只双子星座太空船，主要是为了逐渐延长飞行时间 。“水星计划”的最长飞行时间是一天半，而双子星座４号就延长到４天，双子星座５号飞行了８天，到７号，延长到了１４天，在当时，这是惊人的记录 。这表明，人类完全可以禁受前往月球的长时间太空飞行 。
此外，１９６５年双子星座载人飞行还试验了宇航员外出到太空漂游及太空船编队飞行 。１９６５年６月３日发射的４号飞行了４天，绕地球６２圈 。飞第二圈时，怀特利用喷枪喷气推力，在舱外太空里作了２０分钟的“漫步”，在太空里聊天、说笑和拍照 。太空“漫步”，除了试验宇航员在太空中的工作能力外，还对宇航服的安全性进行试验 。
第一次编队飞行是由６号和７号实现的 。1965年１２月４日，以飞行两个星期为目标，将７号射入轨道 。宇航员是鲍曼和拉斐尔 。１１天后，即１２月１５日，又成功地将６号射入轨道 。发射后６小时，６号飞了４圈，距离７号只有３０米远了 。随后，６号飞船逐渐接近了７号，最近的接近距离为１米，两艘飞船的宇航员可以通过窗口相互看清对方的面孔 。在以后的５个半小时里，两只飞船保持数米距离，编队飞行，绕地球４圈 。第二天，６号先返回地面，７号继续完成了飞行１４小时的目标，而后返回地球 。
１９６６年，又成功发射了５号双子星座飞船，侧重于试验宇航服和会合时对接技术以及宇航员操纵飞船的本领 。
１９６６年３月１６日，先发射了无人飞船“阿金那Ｂ”进入轨道，然后又将双子星座８号送入轨道，宇航员是阿姆斯特朗和斯科特 。
８号一进入轨道，就去追“阿金那Ｂ”飞船，飞了４圈后，终于接近了它 。在宇航员的操纵下，８号的突起的鼻部成功地插入“阿金那Ｂ”的对接口里，首次对接获得成功 。可是，对接不久，８号的姿控小火箭的一支错误地点火，急速地喷射气流，使得飞船乱跳乱转起来 。接到地面返航命令后，阿姆斯特朗镇静地设法将飞船与“阿金那Ｂ”分开，而后成功地返回地球 。他们在太空里飞了不到一天时间 。
1966年６月３日发射９号飞船入轨，宇航员是斯塔福德和塞尔南，他们驾驶飞船用三种不同方法和一个目标会合，没有能进行对接试验，因为目标的对接口没有从保护罩中露出来 。在返回地球前，６月６日，塞尔南在太空“漫步”了１２８分钟，以试验宇航服的可靠性和人在太空中的活动能力 。
1966年７月１８日，约翰·扬和柯林斯乘１０号飞船作了三天飞行，他们先与自己的目标靶“阿金那Ｂ”会合，又追上８号的目标靶，与之会合 。最后，他们和自己的“阿金那Ｂ”实现了对接 。这次飞行中，柯林斯先后两次出舱，共活动了８７分钟 。
1966年９月１２日发射入轨了１１号飞船，宇航员是康拉德和戈登，他们飞了近三天时间 。他们先和一只“阿金那”对接，然后开动了“阿金那”上的主火箭发动机，将对接体推进到更高的轨道 。戈登出舱活动了４４分钟，又打开舱盖１３０分钟 。
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