为了争取美苏这场太空竞赛的第一，美国的工程师们作了很大的努力。可“水星”号早期的试验并不顺利，发生了多次事故。1961年春季这种情况似乎有了好转，1月和3月的两次实验都取得了良好的成果。为了在太空竞赛中抢先一步，太空任务小组提议提前进行载人航天飞行，但火箭专家冯·布劳恩却坚持要按原计划进行。4月12日，加加林实现太空飞行后，时间显得更加紧迫。令美国人稍感宽慰的是，5月5日，航天员阿兰·B·谢帕德乘坐“水星”号飞船“自由”7号实现了一次亚轨道飞行，这次飞行被赫鲁晓夫称为“跳蚤的一跃”。
1961年5月5日，名为“自由”7号的“水星”号飞船在卡纳维拉尔角由第3枚“红石”号火箭发射升空，飞船上乘坐的是美国第一位宇航员阿兰·B·谢帕德。这次发射是一次亚轨道弹道飞行，飞船上升的最大高度为186千米。飞船正常分离后，又以弹道状再入大气层并安全回收。据说在整个15分28秒的飞行过程中，谢帕德只有5分钟的失重经历。由于这次飞行是在苏联之后，而且成就也小得多，因此可以说在美苏载人太空飞行这场竞赛上，美国再一次失败了。但这次飞行对美国来说具有深远的历史意义。为此，肯尼迪总统于5月8日在白宫为谢帕德授勋。时隔两个月，格里索姆于7月21日乘坐“自由钟”7号飞船又一次进行了亚轨道飞行。
1962年2月20日，宇航员约翰·H·格林乘坐“友谊”7号飞船升空。他驾驶这艘“水星”号飞船在260千米高的轨道上飞行了3圈，历时4小时55分23秒。在飞行过程中，飞船出现了一些故障。在第一圈飞行末尾，由于姿态控制系统发生故障，他被迫由自动操纵改为手动操纵。在第二圈飞行时，地面收到的信号表明飞船防热层有可能与密封舱分离。按设计要求，防热层只在溅落前最后时刻才可抛掉。如果在轨道上脱落，飞船再入时必然烧毁。在返回时，地面控制中心指示格伦保留制动火箭装置，期望能较长时间维持防热层不与飞船脱离。幸运的是，除了在心理上造成很大恐慌外，格伦并没有遇到灾难性危险。原来那个信号是错误的。
1962年5月24日，宇航员卡彭特乘坐“曙光”7号飞船又一次成功地进行了轨道飞行，绕地球飞行3周。10月3日，宇航员谢拉乘坐“西格玛”7号飞船绕地球轨道飞行了6周，飞行总时间达9小时12分钟11秒。1963年5月15日，宇航员库珀乘坐“信心”7号飞船进入了近地点267千米、远地点161千米的地球轨道。这次飞行绕地球22周，历时34小时19分49秒。在飞行过程中，库珀进行了正常的饮食和睡眠，以此考察人在失重环境下工作和生活1天的生理反应。飞行还进一步验证了“水星”号飞船的姿态控制系统、防热系统、生命保障系统、仪器仪表长时间工作的可靠性。
知识点亚轨道飞行
亚轨道飞行是相较于轨道飞行来说的。通常认为，亚轨道飞行是在距地球35到300千米高空进行的飞行。在亚轨道飞行仍然会受到地球引力的牵引，但在一定时间内可以体验到失重的感觉。300千米以上的飞行就被认为是轨道飞行，国际空间站的运行轨道在400千米左右。
人类的首次太空行走
冷战时期，美苏在太空领域开展过十分激烈的竞争，其中用一艘飞船运送2到3人上天和航天员出舱进行太空行走就是焦点之一，竞赛结果以前苏联的“上升”飞船胜出而告终。
“东方”号发射成功之后，科罗廖夫就开始考虑新的航天计划，经过大量的研究和规划，初步制定了两项计划，即“东方”ZH飞船和“联盟”复合体。但这些计划都是长期性计划，不可能马上看到成果，可对于不懂什么技术的赫鲁晓夫来说，更需要的是新的第一。在这种压力之下，科罗廖夫被迫改变了自己的计划，因此就有了“上升号”飞船计划。
“上升号”飞船是以“东方”飞船为基础改造而成，其形状和尺寸大体上与“东方”飞船相似，长约6米，直径2.4米，质量约5500千克。
为了与美国竞争一船多人，“上升号”飞船取消了“东方”飞船上体积较大的弹射座椅，采用普通椅子，以便增加航天员的座位，使它最多可乘坐3名航天员。由于生命保障系统的限制，其轨道飞行时间较短。该飞船为一球圆柱体，运行在周期为90分钟、倾角为63°的低轨道上。飞船上装有返回着陆系统、备用制动火箭、辅助定向系统、电视和无线电通信设备等。
“上升号”飞船还有一个特点，就是在座舱外增设了航天员出舱用的气闸舱、操纵气闸工作程序和航天员走出舱外进入太空的控制系统；并备有采用自主式生命保障系统的特制航天服，供航天员出舱使用；还附加了着陆缓冲用的制动火箭。这种飞船一共只发射了两艘，但都创造了奇迹。
“上升”号的第一次飞行对所有的技术人员来说，简直是一次冒险。因为在飞船即将完工的时候，赫鲁晓夫下达命令，要在1964年革命节（11月7日）前实现同时3人的太空飞行计划。设计人员只好对飞船采取了极其冒险的改装，拆除了许多科学仪器，舱内的生命保障系统降到最低限度。由于座舱空间太过狭小，进入座舱的3名航天员都没有穿航天服，所幸的是这次飞行没有出现任何意外。赫鲁晓夫下台之后，“上升号”就再也没有进行过这样具有挑战性的飞行。飞船绕地飞行16圈，历时24小时17分钟。“上升”1号飞船也是首次搭载科学家绕地飞行的航天器，它进行了天体物理学、航天医学、生物学研究和技术试验。
1965年2月18日发射的“上升”2号飞船上虽然只载有两名航天员，但航天员列昂诺夫进行了人类首次太空行走，再次让前苏联扬眉吐气。
格林尼治时间8点30分，“上升”2号进入了预定轨道，这时列昂诺夫已经换好了宇航服等待进入太空。列昂诺夫的宇航服是当时最先进的，多达十几层。这种宇航服具有自动的生保系统及隔热、防寒、防辐射等多种功能，可以在300℃到－100℃的温度下保持恒温。
列昂诺夫先进入了气闸舱，关上了与飞船生活舱连通的闸门，当气闸舱中的气压减至与太空中的气压相同的时候，就可以进入太空了。气闸舱的原理与我们平时熟知的船只通过江河上的拦河大坝的道理基本一样。
当时，列昂诺夫在太空中并不是无拘无束地漫步，为了安全起见，他的身上还系了一根5米长的系索，也就是说，列昂诺夫的太空漫步只能在距离飞船5米的范围内进行，这实在是有些美中不足。
由于技术原因，宇航员离开飞船在太空中行走的距离目前只有这么远，人类就好像一个没有成熟的婴儿，在没有能力应付险恶的太空环境的时候，就必须依赖母亲的脐带以保证自身的安全。
另外，这5米长的系索还有其他的用途。这根系索其实是一根高敏感度的数据传送系统的一部分，它可以准确地把列昂诺夫在太空中行走时的一切生理感觉、生物功能测量出来的数据传回“上升”2号载人飞船，并及时地把数据送回地球。
列昂诺夫的舱外活动一共持续了20分钟，有意思的是，他进舱的时候遭遇的麻烦最大，也就是说这20分钟，既包括在太空中漫步所花的12分9秒，还包括进舱所花的足足8分钟的时间。
原来，宇航服在真空的环境中由于外部的压力很小，宇航服内的气体把整个宇航服胀得像一个大气球，原本苗条的列昂诺夫由于过于臃肿卡在了舱门口，挣扎了好久才挤了进来，这可是当初的设计者没有考虑到的。
“上升”2号载人飞船在完成了太空行走，准备返航的时候，又出了一个小麻烦：飞船的太阳自动定向系统突然失灵了，飞船开始在太空中无序运转。为此，宇航员们不得不采用手动操作系统，然而手动操作定向系统显然不如太阳自动定向系统准确，在太空中漫步的英雄们降落在预定着陆点800千米以外的风雪覆盖的大森林里，给宇航员的返回工作带来了很大的困难。
一次成功的太空对接
“水星”计划结束后，当时的美国总统肯尼迪已经很明确地提出，把登月作为载人航天的发展目标。因此美国国家航空航天局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”计划之间的过渡计划。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。
美国第二代载人飞船“双子星”
“双子星”号飞船由三段连接而成。最下面是圆台形的设备舱，里面装有电源系统、推进剂贮箱、轨道和姿态控制系统、通信系统、仪表设备以及生活用品。中间段是发动机舱，主要用于飞船离轨与再入控制。它除装有反推发动机及推进剂贮箱外，还装有机动发动机。最上段是载人飞船。这部分很像放大的“水星”号飞船，内部装有两套宇航员弹射座椅、导航系统、电子设备以及生命保障系统，座舱内也采用纯氧环境。它的前端是一个降落舱，头部装有交会雷达、对接器以及再入高度控制系统。除此之外，载人舱还装有各种姿态控制系统、宇航员观察口、宇航员舱外活动舱口和其他设备。飞船总长5.6米，底部最大直径3.05米，其中乘员舱长3.35米，底部直径2.35米，飞船总质量在3.2～3.8吨之间。
为了准确地操纵飞船，设计人员为“双子星”安装了数个火箭发动机，使它可以在轨道上做向前、向后和侧向的运动以改变轨道。复杂的任务要求由两人来驾驶飞船，这就使得飞船的体积增大。而且“双子星”飞船太空飞行的时间一般需要持续一至两周，以确定人体是否能够承受长时间的失重，所以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、推进剂贮箱等设备。
当时使用的普通化学电池功率小、寿命短，不足以维持长期飞行，而太阳能电池在技术上也不成熟，因此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。
两名航天员，加上增加的支持系统、补给及推进剂，使“双子星”号飞船的重量是水星号的两倍。要把它送入太空，“水星”号所用的“宇宙神”号运载火箭已经无能为力，“大力神”2号运载火箭便成了“双子星”号飞船的运载火箭。设计人员经过较长时间的考察，认为运载火箭在发射时发生爆炸的机率极小，因此“双子星”号取消了逃逸救生塔，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，美国国家航空航天局的设计人员考虑到，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，将飞船推入再入轨道，最后再抛掉发动机舱，座舱像“水星”号飞船一样单独再入大气层，下降到低空时打开降落伞，航天员和座舱一起在海上溅落。
1965年3月23日，“双子星”3号飞船进行了第一次载人太空飞行，航天员维吉尔·I·格里索姆和约翰·W·杨完成了这次飞行，飞行中航天员启动推进器改变自己的轨道形状，实施了倾角的微小改变。两个月后，航天员詹姆士·A·麦克迪维特和爱德华·H·怀特乘坐“双子星”4号进入太空飞行了5天，并且在绕轨道第三圈时，由怀特实现了美国人首次的太空行走，出舱时他身上连着一根管缆，利用一个手持的小型火箭来实现太空机动。
“双子星座”5号飞船于1965年8月21日发射，宇航员是库珀和康拉德，主要任务是进行轨道机动和交会练习。由于供练习用的鉴定舱失踪，飞船没能按计划与鉴定舱对接。尽管如此，“双子星座”5号仍完成了许多实验和观测任务，留空时间长达8天，绕地球120圈。
1965年12月4日和15日，“双子星”7号和“双子星”6号两艘飞船先后发射。它们靠宇航员操纵完成了机动、接近和交会飞行，在间距只有40米的情况下持续飞行了7小时15分钟，最近时只有0.3米。第二天，“双子星”6号在完成全部飞行任务后返回地球。“双子星”7号飞船继续飞行了3天，创造了在太空中持续飞行330小时35分钟、绕地球206圈的新纪录，于12月18日安全返回地球。1966年发射的“双子星”8号和“双子星”9号飞船也进行了交会对接训练。