Su primera misión espacial se inició el 19 de noviembre de 1997, como parte de la tripulación de seis astronautas que volaron el Transbordador Espacial Columbia vuelo STS-87 . Chawla fue la primera mujer nacida en la India y la segunda persona India para volar en el espacio, siguiendo el cosmonauta Rakesh Sharma , que voló en 1984 en una nave espacial. En su primera misión Chawla viajó más de 10.4 millones de millas en 252 órbitas de la tierra, la tala de más de 372 horas en el espacio. Durante la misión STS-87, fue responsable de implementar el satélite Spartan , que no funciona bien, lo que exige una caminata espacial por Winston Scott , y Takao Doi para capturar el satélite. A cinco meses de la NASA de investigación plenamente exonerado Chawla mediante la identificación de errores en interfaces de software y los procedimientos definidos de la tripulación de vuelo y de control en tierra.
Tras la finalización de la misión STS-87 posteriores al vuelo, Chawla fue asignado a los puestos técnicos en la oficina de astronautas a trabajar en la estación espacial, su actuación en la que fue reconocido con un premio especial de sus compañeros.
En el año 2000 fue seleccionado para su segundo vuelo como parte de la tripulación del STS-107 . Esta misión fue retrasado en varias ocasiones por problemas de agenda y problemas técnicos, como en julio de 2002 el descubrimiento de grietas en los revestimientos de transporte de flujo del motor.El 16 de enero de 2003, Chawla finalmente regresó al espacio a bordo de Columbia en la malograda misión STS-107 . Responsabilidades Chawla incluyeron los de microgravedad experimentos, para los cuales la tripulación llevó a cabo cerca de 80 experimentos que estudian la Tierra y la ciencia espacial, desarrollo de tecnología avanzada, y la salud de los astronautas y la seguridad
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