計畫
作為從“水星”到“阿波羅”計畫之間過渡，美國於1961年11月至1966年11月實施了“雙子星座”計畫。其主要任務是研究、發展載人登月的技術和訓練航天員長時間飛行及艙外活動的能力。該計畫歷時5年，完成了10次環繞地球軌道載人飛行，每次2人，共耗資接近13億美元。
“水星”計畫結束後，當時的美國總統甘迺迪已經很明確地提出，把登月作為載人航天的發展目標。因此NASA花了兩年時間來設計第二代飛船，即“雙子星座”飛船，作為登月計畫和水星計畫中間的過渡計畫。而且這一計畫的目的相當明確，主要是完善飛往月球所需的關鍵、但尚未經過測試的技術，包括：軌道變換、軌道會合、軌道對接以及在軌道上進行太空艙外活動。
技術原理
為了準確地操縱飛船，設計人員為“雙子星座”安裝了幾個火箭發動機，使它可以在軌道上做向前、向後和側向的運動，以改變軌道。複雜的任務要求由兩人來駕駛飛船，這就使得飛船的體積增大。而且“雙子星座”飛船太空飛行的時間一般需要持續一到兩周，以確定人體是否能夠承受長時間的失重狀態，所以需要大量的電力和能源，為了滿足這個要求，“雙子星座”飛船增加了設備艙，安裝電源系統、推進劑儲箱等設備。
當時使用的普通化學電池功率小、壽命短，不足以維持長期飛行，而太陽能電池技術上也不成熟，因此設計人員採用了燃料電池，這種電池依靠燃料的化學反應釋放出來能量轉變成為電能輸出。
兩名航天員，加上增加的支持系統、補給及推進劑，使得“雙子星座”飛船的重量比“水星號”增加了一倍。要把它送入太空，“水星號”所用的“宇宙神號”運載火箭已經無能為力，“大力神2號”運載火箭便成了“雙子星”飛船的運載火箭。設計人員經過較長時間的考察發現運載火箭在發射時發生爆炸的機會極小，因此“雙子星座”取消了逃逸救生塔，採用彈射座椅作為應急情況下的救生措施。
“雙子星座”計畫的一項主要內容是實現太空行走，NASA的設計人員考慮到如果為太空行走再設計一個過渡艙，勢必會增加飛船的重量和大小，因此採用了一種簡化的設計，不安裝專門的出艙活動過渡艙，而直接將座艙作為過渡艙。“雙子星座”飛船的側部各有一個矩形艙門，它具有極好的關閉密封性，可以在太空中打開和關閉。執行艙外任務時，航天員先使艙內氧氣壓力下降，採用航天服的供氧系統呼吸。當艙門打開時，任艙內氧氣散失，出艙進行活動。當完成任務返回艙內時，關閉艙門後再重新放出氧氣，使座艙增壓。
回收方式上，飛船在返回前在軌道上拋掉設備艙，然後發動機艙的4台反推制動火箭點燃，將飛船推入載入軌道，最後再拋掉發動機艙，座艙像水星飛船一樣單獨再入大氣層，下降到低空時打開降落傘，航天員和座艙一道在海上濺落。
外部描述
1965年3月23日，“雙子星座3號”飛船進行了第一次載人太空飛行，航天員維吉爾·I·葛理森和約翰·W·楊完成了這次飛行，飛行中航天員啟動推進器改變自己的軌道形狀，實施了傾角的微小改變。兩個月後，航天員詹姆士·A·麥克迪維特和愛德華·H·懷特乘坐“雙子星座4號”進入太空飛行了5天，並且在繞軌道第三圈時，由懷特實現了美國人首次的太空行走，出艙時他身上連著一根管纜，利用一個手持的小型火箭來實現太空機動。
“雙子星座”計畫的一個重要任務是實現軌道會合和對接。1965年12月4日和12月15日“雙子星座7號”和“雙子星座6號”分別進入太空，實現了太空會合，在間距只有40米的情況下持續飛行了7個多小時，最近時只有0.3米。爾後“雙子星座8號”和“雙子星座9號”的飛行任務都是與“阿金納”火箭實現對接，但都未能實現。1966年7月18日“雙子星座10號”飛船載著約翰·楊和麥可·科林斯進入軌道，實現與“阿金納3號”的對接任務，完成了登月計畫的關鍵技術。接著“雙子星座11號”和“雙子星座12號”飛船又分別實現了兩次對接任務。
成果
至此“雙子星座”計畫圓滿地完成了預定目標，作為一項既是過渡性又是獨立的計畫，取得了許多開創性的成就，也為“阿波羅”登月計畫提供了極其寶貴的經驗和科學技術成果。整個飛行期間，航天員共進行了52項試驗，在不同高度上拍攝了1400張地球彩色照片，全面的研究了人在太空中長期工作和生活的情況。為航天技術人員及地面機組人員提供了發射火箭所需的大量的實踐活動。到“雙子星座12號”飛行結束時，美國航天員已經有了2000小時的太空飛行記錄，而此時蘇聯的飛行時數只有500多小時，美國人至此開始領先於蘇聯。
