Katika 1985, Mukai alichaguliwa kama mmoja wa wagombea watatu Kijapani Payload Mtaalamu kwa ajili ya Kwanza Material Processing Test (Spacelab-J) ambayo aliruka ndani ya STS-47. Pia aliwahi kuwa nyuma-up payload mtaalamu kwa ajili ya Neurolab (STS-90) ujumbe. Mukai ina kumbukumbu zaidi ya 566 masaa katika nafasi. Yeye aliruka ndani ya STS-65 katika 1994 na STS-95 katika 1998. Yeye ni wa kwanza Kijapani mwanamke kuruka katika nafasi, na raia wa kwanza Kijapani kuruka mara mbili.Kama NASDA astronaut, yeye alikuwa mgeni mwanasayansi katika Idara ya Cardiovascular Physiology, Space Biomedical Research Institute, NASA Johnson Space Center, kutoka 1987 hadi 1988. Mukai imebakia Utafiti Mkufunzi wa Upasuaji, Idara ya Tiba, Chuo cha Bay, Houston, tangu Oktoba 1992.
Kijapani