美国在苏联赢得了载人航天“第一”之后，为了与其进行空间竞赛，制定了“阿波罗”登月计划。与此同时，前苏联也在进行着载人登月的准备。而此阶段开展的航天动物实验就是为配合载人登月任务而开展的。实验的主要目的是研究地球—月球—地球飞行和较长时间飞行时失重、电离辐射与其他因素对动物体的影响，以便为宇航员的登月和更长时间的飞行提供科学依据。
２０世纪６０年代中后期，美国先后发射了６颗生物卫星，由于种种原因只有两次飞行成功，进行实验的动物包括猴、甲虫、寄生蜂和果蝇等。不过，猴未完成原定的３０天飞行，飞行了８天半后就返回地面，回收后１２小时便因心室纤颤而死亡。实验结果也表明，辐射与失重或航天其他因素的综合作用可使果蝇对辐射的敏感性增加。美国在实现载人登月后仍未放弃动物航天实验，１９７３年发射的“阿波罗１７”号飞船还首次进行了哺乳动物与人的结伴飞行，有五只囊鼠与三名宇航员一起飞往月球，并绕月球轨道飞行了数天，其目的是研究高能宇宙粒子辐射对动物大脑的影响。
国际生物医学计划实施阶段
前苏联从１９７０年开始发射以“宇宙”命名的一系列生物卫星，之后还邀请美国、法国、匈牙利、波兰、捷克、保加利亚、罗马尼亚、民主德国等国参加该生物卫星计划。２０世纪７０年代发射的“宇宙”系列卫星中携带的哺乳动物主要是大鼠，而到８０年代后期还增加了猴。“宇宙”生物卫星计划研究的目的是了解短期失重和辐射对动物的影响，以及研究保护动物免受失重影响的方法。
除了在生物卫星上进行研究外，美国、前苏联／俄罗斯和欧洲空间局还利用有人和无人飞船以及空间站、航天飞机等进行了大量的搭载动物实验。例如，前苏联在“卫星１～５”号飞船、“联盟”号飞船、“礼炮”号空间站与“和平”号空间站中都进行过动物实验。动物实验研究的范围很广，包括遗传学、胚胎学、细胞学、组织学、形态学、解剖学、生理学、生物化学、行为学、放射生物学等。研究的结果不仅证实了以前短期航天飞行时所观察到的一些生物现象，而且还获得了一些新的发现。宇航员的工作载人航天是为了探索宇宙空间，开发和利用宇宙空间独有的资源为人类服务。宇航员上天当然也离不开这些目的，宇航员在太空飞行期间要按照预先在地面上编好的工作程序一步步去工作。如果一项工作没完成，就会影响到下一项工作；所以，宇航员在天上的工作是相当紧张的。
那么，宇航员在天上到底有哪些工作要做呢？由于宇航员在太空中的任务很多，不可能在一次飞行中完成所有的任务，所以每一次飞行都有自己的侧重点。每次飞行的任务量与宇航员在太空中停留的时间有很大关系，飞行时间少的，工作内容就少。下面以航天飞机和国际空间站的宇航员为例，来说明宇航员在太空中的工作。
航天飞机宇航员在飞行中的主要工作
其实，研究人员在设计航天飞机时，便已确定它在太空中一次飞行时间不超过两个半星期。航天飞机宇航员在这时期的主要工作是：
（１）保证航天飞机的正常运行
宇航员在太空的首要任务是要保证航天飞机的正常运行，这样才能执行其他的任务。例如，要进行航天器控制的常规操作，维修航天飞机生活舱或工作舱内的仪器、仪表系统，定期向地面通报航天器运行状况和自身的身体状况等。
（２）释放卫星和回收卫星
宇航员在太空可以释放卫星或利用航天器上的机械臂将有故障的卫星“抓”回来，并进行维修。也许航天飞机有史以来发射的最有名的卫星要算“哈勃”太空望远镜了。航天飞机后来曾经三次回到太空为“哈勃”更换部件。在更换部件前，一名宇航员必须用航天飞机上的机械手将它捕获，运送到有效载荷舱内。宇航员进入有效载荷舱，爬上“哈勃”太空望远镜，安装新部件。当地面控制人员确信“哈勃”望远镜运行状态良好后，再由机械臂将它释放回太空。
（３）进行科学试验
宇航员在太空可以利用空间的特殊环境进行很多科学实验，具体地说，包括以下三部分内容：
①空间生命科学试验。观察宇航员在失重环境下机体出现的生理、生化变化，探讨其机理和验证防护措施的有效性；研究动物和植物在太空环境中的生长、发育和变异等。
②空间科学的研究。宇航员在航天器上可以操作各种观察和测量设备，对地球环境、太阳、月球面、地球磁场、电离层、大气层等进行深层次的观察与研究，通过载人航天器上的天文望远镜，进一步揭示天体的真实面貌。
③对地球进行观察。宇航员利用远离地球的有利条件，可对地球表面进行全面的观察、摄影和光谱测定。通过这些工作，收集有关地球自然资源、地质地貌、大气层状态、耕地季节变化、世界海洋变化、水生生物状态、沙漠植被作物覆盖、森林的覆盖与储量等信息。
（４）太空生产
在太空中还可以利用太空独特的失重环境，研究、加工和生产在地球上不能生产的、性能优良的新材料和新产品。宇航员在天上操纵“合金”和“结晶”的电加热炉，便可制取非常纯的半导体材料砷化锢和砷化镓。它们的经济价值很高，估计每千克价值可达１００万美元。空间制药和生物制品可以大大提高药品的纯度和产量。据推测，目前能在天上生产的药品多达三四十种。在天上生产药物一个月的产量可相当于地球上同样设备２０年的产量。
（５）组装国际空间站
国际空间站是有史以来规模最庞大、设施最先进的“人造天宫”。据资料显示，国际空间站总质量可达４００多吨，大致相当于两个足球场大小。这个庞然大物是不可能在地面组装好发射到太空的，它采用的是桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其他各种服务设施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式空间站。而组装国际空间站的任务则落到美国航天飞机和俄罗斯“联盟”号宇航员身上。他们必须将组装的部件送上太空，并进行舱外活动，将它们组装起来。通过宇航员的工作，国际空间站建成了“曙光”、“星辰”等６个舱以及机械臂和太阳能电池等外部设施。在２０００年１１月２日，首批三名宇航员进驻空间站，现在在国际空间站的是第九批长期考察组。
国际空间站宇航员的任务
国际空间站与航天飞机的最大不同点是，它可以长时间地环绕着地球运行。按照设计，国际空间站的寿命是１５年。在国际空间站上的宇航员可以长时间地生活在太空，地面将不断地派遣长期考察组进入国际空间站，并停留较长时间。他们在太空的工作内容基本上类似于航天飞机上的宇航员，不同考察组的工作有其侧重面。例如，国际空间站第一长期考察组的任务是：
（１）安装和调试空间站上的现有设备和陆续到达的新设备，将目前对接在一起的“恒星”号服务舱、“曙光”号功能货舱和“团结”号节点舱的电脑连成统一的电脑系统，并对这些设备和系统进行测试；负责搬运“进步”号货运飞船和航天飞机运来的仪器等货物，并将它们安置在相关舱室的相应位置。
（２）完成涉及医学、生物学和工艺技术等方面的２３项科研项目。
（３）进行出舱活动，完成一些组装工作及国际空间站各部分之间电力和通信线路的连接工作等。
由于宇航员在国际空间站停留的时间长，他们可以进行更长时间、更深入的科学研究。例如，在进行失重对人体影响的研究时，在航天飞机中，只能观察短期失重对人体的影响，而在国际空间站上可以观察长期失重对人体的影响，并且由于空间站上实验设备齐全，宇航员们可以进行更深入的研究。