Nel 1985, Mukai è stata selezionata come uno dei tre candidati giapponesi per il First Material Processing Test (Spacelab-J) che ha volato a bordo di STS-47. È stata anche specialista di carico utile di backup per la missione Neurolab (STS-90). Mukai ha trascorso oltre 566 ore nello spazio. Ha volato a bordo di STS-65 nel 1994 e STS-95 nel 1998. È la prima donna giapponese a volare nello spazio e il primo cittadino giapponese a volare due volte. Come astronauta della NASDA, è stata scienziata ospite presso la Divisione di Fisiologia Cardiovascolare, Space Biomedical Research Institute, NASA Johnson Space Center, dal 1987 al 1988.
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