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美国在进行了地面试验和不载入飞行后，“双子星座”3号由“大力神”火箭发射，进行首次载入飞行。指令长格里索姆和驾驶员约翰·扬，在绕轨三圈飞行中，用手动操纵完成了飞船上下、左右、前后及变轨道的机动飞行。1965年6月3日，“双子星座”4号驾驶员怀特还进行了太空行走。
 从地球到月球的往返最少需8天时间，因此1965年8月21日发射的“双子星座”5号在轨道上运行日期也是8天。这次飞行主要研究失重对人体的影响。
“双子星座”7号先于6号于1965年12月4日发射。12月5日发射的“双子星座”6号，在绕地球
6圈后，逐渐追上了7号飞船。当两者相距30厘米时，实现了宇宙飞船的首次会合。接着进行了数小时编队飞行演练，然后“双子星座”6号返回地面。7号飞船继续绕轨运行，创造了当时载入飞行13天18小时35分的最高纪录，超越了登月所需8天的最少期限。
1966年3月16日，“双子星座”8号在轨道上与“阿吉纳”8号无人飞船相距几百米时，宇航员阿姆斯特朗和斯科特启动姿态控制和微进发动机，向无人飞船慢慢逼近。“双子星座”8号的对接杆插入无人飞船的锥形连接锁孔中，两艘飞船就像两节火车车厢一样牢固地联接在一起，对接取得了成功。此后，又连续进行了4次会合对接试验，其中3次获得成功，解决了会后对接中的重大技术问题。
从1966年5月到1968年1月，美国共发射7个“勘测者”号月球探测器，这些1吨多重的“勘测者”，携有摄像机，月面承载力测定仪，月面土壤分析设备和微流星探测器。主要任务是进行月面软着陆试验。“勘测者”3号和7号还装有小挖土机，它按地面指令掘出月球岩样，供辐射扫描仪来测定化学成分。“勘测者”7号利用来自地面的激光，测定地月间的距离，这个测定精确到±15厘米范围。测得的理化指标证明月表并非全是尘埃堆积物，而是属玄武岩状的物质，足以支撑载入登月飞船的重量。
图 “双子星座”6号（近侧 ）与“双子星座”7号在太空中会合。这是地球人类的飞行器首次在太空中实现会合。它为以后太空中的对接积累了十分宝贵的经验
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