Ing taun 1985, Mukai dipilih minangka salah siji saka telung calon Spesialis Payload Jepang kanggo Tes Proses Bahan Pertama (Spacelab-J) sing mabur ing STS-47. Dheweke uga dadi spesialis payload cadangan kanggo misi Neurolab (STS-90). Mukai wis mlebu luwih saka 566 jam ing ruang angkasa. Dheweke mabur ing STS-65 ing taun 1994 lan STS-95 ing taun 1998. Dheweke dadi wanita Jepang pertama sing mabur ing angkasa, lan warga Jepang pertama sing mabur kaping pindho. Minangka astronot NASDA, dheweke dadi ilmuwan tamu ing Divisi Fisiologi Kardiovaskular, Institut Riset Biomedis Luar Angkasa NASA, Johnson Space Center, saka 1987 nganti 1988. Mukai tetep dadi Instruktur Riset Bedah, Departemen Kedokteran Bay, Houston, wiwit Oktober 1992.
Basa Jepang