1961年11月至1966年11月美国实施了“双子星座”计划。其主要任务是研究、发展载人登月的技术和训练航天员长时间飞行及舱外活动的能力。该计划历时5年，完成了10次环绕地球轨道载人飞行，每次2人，共耗资接近13亿美元。1961年12月7日正式宣布航行，是美国的第二个载人航天计划。那时已在实施“阿波罗”载人登月计划，作为从“水星”到“阿波罗”计划之间过渡。

1964年4月8日发射编号为双子星1号的无人驾驶飞船，作轨道飞行试验，但不回收。

经过有针对性的改进后，1965年1月19日发射双子星2号飞船，作无人驾驶轨道飞行试验，仍然不回收。

1965年3月23日，双子星3号正式载人轨道飞行。

1965年6月3日，双子星4号升空，航天员怀特在列昂诺夫之后太空行走。

1965年12月4日和7日，先后发射的双子星6号和双子星7号进行了轨道飞行练习。

1966年3月16日发射的双子星8号与运载它的“雷神”火箭的上面级,即与飞船脱离后也进入轨道的“阿金纳”上面级进行了轨道对接。此后发射的4艘飞船也都进行了对接练习，双子星9号上的航天员进行了太空行走练习，双子星11号还进行了变轨练习。

1966年7月18日，双子星10号飞船载着约翰·杨和迈克尔·科林斯进入轨道，实现与“阿金纳3号”的对接任务，完成了登月计划的关键技术。接着双子星11号和双子星12号飞船又分别实现了两次对接任务。

至此“双子星”计划圆满地完成了预定目标，作为一项既是过渡性又是独立的计划，取得了许多开创性的成就，也为“阿波罗”登月计划提供了极其宝贵的经验和科学技术成果。整个飞行期间，航天员共进行了52项试验，在不同高度上拍摄了1400张地球彩色照片，全面的研究了人在太空中长期工作和生活的情况。为航天技术人员及地面机组人员提供了发射火箭所需的大量的实践活动。到“双子星12号”飞行结束时，美国航天员已经有了2000小时的太空飞行记录，而此时苏联的飞行时数只有500多小时，美国人至此开始领先于苏联。

1964年4月8日发射，无人驾驶飞船，作轨道飞行试验，但不回收。

1965年1月19日发射，作无人驾驶轨道飞行试验，仍然不回收。

1965年03月23日发射，维吉尔·格里森、约翰·杨，飞行4小时52分钟31秒，美国首次双人飞行。

1965年06月03日发射，詹姆斯·麦克迪维特、爱德华·怀特，飞行4天1小时56分钟2秒，怀特在舱外行走了21分钟。

1965年08月21日发射，戈尔登·库勃、皮特·康拉德，飞行7天22小时55分钟14秒，环地轨道飞行120圈。

1965年12月15日发射，瓦尔特·施艾拉、托马斯·斯塔福德，飞行1天1小时51分钟24秒，双子星-6、7交会飞行。

1965年12月04日发射，弗兰克·博尔曼、詹姆斯·洛威尔，飞行13天18小时35分钟1秒，双子星-6、7交会飞行。

1966年03月16日发射，尼尔·阿姆斯特朗、大卫·斯科特，飞行10小时41分钟26秒，首次与“阿金纳”对接飞行

1966年06月03日发射，托马斯·斯塔福德、尤金·塞尔南，飞行3天0小时20分钟50秒，与“阿金纳”对接失败，应急返回。

1966年07月18日发射，约翰·杨、迈克尔·柯林斯，飞行2天22小时46分钟39秒，飞船高度达763千米。

1966年09月12日发射，皮特·康拉德、理查德·戈尔登，飞行2天23小时17分钟8秒，飞船高度达1368千米。

1966年11月11日发射，吉姆·洛威尔、巴兹·奥尔德林，飞行3天22小时34分钟31秒，与“阿金纳”对接飞行。

整个“双子星”计划的目的是在“水星”计划的基础上为“阿波罗”载人登月计划提供飞行的实验，准备各种技术条件，主要任务是研究人在失重条件下长期太空飞行的种种问题，以及发展轨道机动、会合和对接技术，还有航天员的舱外活动能力。

“双子星”计划的主要目标包括：

1、致力于展示人类和设备的长时间航行能力，为日后登月或进入更远的深空做准备；

2、与其他在轨航天器进行有效的轨道交会对接，使用该在轨航天器推进系统操纵组合宇宙飞船；

3、完善航天器再入、着陆方法；

4、获取关于航天员在失重环境的进一步信息，记录他们在长时间飞行过程中的生理反应。

外观呈圆锥-钟型，全长5.7米，底部最大直径3米，重约3.0-3.9吨。返回舱全长3.4米，最大直径2.3米，航天员活动空间2.55立方米。总重量1982千克。舱内用纯氧，压力340毫帕。设备舱长14米，最大直径3.05米，重1278千克，其中环控生保系统的重量为117千克。

为了准确地操纵飞船，设计人员为“双子星”安装了几个火箭发动机，使它可以在轨道上做向前、向后和侧向的运动，以改变轨道使得飞船的体积增大。“双子星”飞船太空飞行的时间一般需要持续一到两周，以确定人体是否能够承受长时间的失重状态，需要大量的电力和能源，为了满足这个要求，“双子星”飞船增加了设备舱，安装电源系统、推进剂储箱等设备。

设计人员采用了燃料电池，这种电池依靠燃料的化学反应释放出来能量转变成为电能输出。

“大力神2号”运载火箭便成了“双子星”飞船的运载火箭。设计人员经过较长时间的考察发现运载火箭在发射时发生爆炸的机会极小，因此“双子星”取消了逃逸救生塔，采用弹射座椅作为应急情况下的救生措施。

“双子星”计划的一项主要内容是实现太空行走，NASA的设计人员考虑到飞船的重量和大小，因此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”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陆地（或海）上溅落。

由美国研制的大力神2号火箭，高度为90英尺，直径为10英尺，加上马丁公司研制的飞行器，飞船由再入舱和设备舱组成，全长5.74米，底部直径3.05米，顶部直径 0.98米。再入舱由座舱段、对接段和回收段组成，高3.32米。设计人员经过较长时间的考察发现运载火箭在发射时发生爆炸的机会极小，因此“双子星”取消了逃逸救生塔，采用弹射座椅作为应急情况下的救生措施。

首先，飞船结构采用分舱段布局的原则，每个分系统的所有部件都放置在一个紧凑的舱体内，便于检查和组装又便于出故障时更换；

其次，从第五艘飞船开始，“双子星”号飞船都采用燃料电池，这种电池结构简单、紧凑，耐冲击和振动，体积小、重量轻、功率高；

另外，飞船采用弹射座椅作为紧急救生手段，在发射阶段和着陆阶段可为航天员提供一种救生手段；飞船设计的手控操作为主，成为至今为止美国载人空间飞行器中受控程度最高者，航天员真正成为飞船的驾驶和操纵人员。

“双子星”3号：首次在空间使用了计算机，这台首次由载人飞船携带的计算机重22.7千克，计算能力为7000次/秒。航天员能够获得飞船变轨所需要的推力数据，对交会进行计算。从此，载人空间飞行实现了机动飞行，结束了此前飞船必须按照固定轨道绕地球飞行的情况，并创了空间飞行中人机结合的新时代。

“双子星”5号：对两名航天员的身体适应情况进行监测，结果证明人可以承受飞向月球、在月球短暂停留后再返回地面这样长时间的失重。把登月作为载人航天的发展目标。因此NASA花了两年时间来设计第二代飞船，即“双子星”飞船，作为登月计划和水星计划中间的过渡计划。而且这一计划的目的相当明确，主要是完善飞往月球所需的关键、但尚未经过测试的技术，包括：轨道变换、轨道会合、轨道对接以及在轨道上进行太空舱外活动。

“双子星”7号：首次在美国载人空间飞行中进行航天员空间观测能力测验。两名航天员使用红外遥测仪器，对“富兰克林”号潜艇从水下发射的一枚“北极星”A-3号弹进行了3分钟的跟踪，清晰地拍摄下导弹的发射过程，并比潜艇观测人员更为迅速地报告了导弹战斗部推进系统分离的情况。

“双子星”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”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。

一、提供了足够执行阿波罗计划的长时间飞行经验，包括生理、医学、生活等方面。

二、验证了飞船载人条件下温度、供氧、压力长期工作的可靠性和寿命。

三、完成了最重要的飞行器交会与对接，为载人登月的月球轨道对接方案提供了有力的证据。

四、完成了长达2小时以上的舱外活动，为宇航员在月面活动积累了经验。

五、实现飞行器姿态控制、机动和变轨飞行。这是阿波罗计划必不可少的任务。

六、实现受控再入，提高了落点精度，为宇航员的安全提供了更大的保证。

七、飞船分成几段，在再入时只回收载人舱。阿波罗飞船也采用了这种格局。

八、双子星飞船的新型燃料电池获得了验证和改进，它成功用于阿波罗飞船。

九、双子星飞船存在的一些问题，如姿态控制系统的可靠性、救生系统故障、宇航服笨重、太空行走困难等被阿波罗计划广泛吸取并加以改进。

十、双子星计划还提供了宇航员训练、太空生活等方面的经验。此外，双子星计划的历次飞行对阿波罗计划任务的确定提供了直接的指导。

十一、远距离对地通讯获得发展和验证。

十二、地面各控制台站的工作满足远程太空飞行的要求。此外，该计划还在对地观测、科学试验方面取得大量成果。

大力神2号火箭于1962年首次亮相，作为美国空军的第二代洲际弹道导弹火箭，使用自燃燃料为动力，具有储存时间长、准备发射时间短、部件少、设计简单的特点。唯一的缺点是推进剂组合（四氧化氮和联氨）剧毒无比相对于液氧等推进剂。

美国航空航天局选用大力神2号火箭作为双子星飞船运载工具的原因为：

1）大力神2号是当时美国运载能力最大的火箭，只有它具有发射“双子星”飞船的能力；

2）大力神2号采用可贮推进剂，便于操作、处理并具有长时间停放和随时发射的特点，适合于载人飞行和空间会合对接任务。