A Gemini–4 (vagy hivatalos NASA-jelölése szerint a Gemini IV) volt az amerikai Gemini-program második emberes űrrepülése, egyben ez volt a nyolcadik amerikai űrrepülés, amelyen emberek voltak az űrhajó fedélzetén. Legénységként Jim McDivitt parancsnokot és Ed White másodpilótát jelölte a NASA – mindkettőt a második űrhajós kiválasztási fordulóból, az ún. Új Kilencek csoportjából. A repülés során a két űrhajós 62 Föld körüli keringést tett meg (66-szor kerülve meg a Földet, mivel a keringés és a fordulat nem szinonim kategória:. az űrhajó a Föld körül keringve kb. másfél óra alatt tesz egy „kört”, Ez alatt a másfél óra alatt a Föld is elfordul alatta (az űrhajózásban az esetek 99%-ban ellenkező irányba). Így a végletekig leegyszerűsítve egy Föld körüli fordulat a földfelszín egy rögzített pontjához képest végzett keringést jelent, amelyek során az űrhajó nem tesz meg egy teljes 360°-os kört a Föld forgása miatt, míg egy keringés egy teljes 360°-os kört jelent). A repülés minden addigit meghaladó számú céllal indult: először terveztek űrrandevút végrehajtani általa, az első űrsétát is ekkor akarták véghez vinni, valamint az addigi legnagyobb számú tudományos kísérlettel és műszerrel indult útjára a Gemini–4.
A küldetés első napján került sor a két legnagyobb várakozással kísért eseményre: az űrrandevúra és az űrsétára. Először közvetlenül a start után az űrhajósoknak meg kellett volna találniuk az őket pályára állító második Titan rakétafokozatot és közel manőverezni hozzá. Ám a repülés idejére semmiféle támogató berendezés (elsősorban a randevút támogató radar) nem készült el, így az űrhajósoknak a saját szemükre hagyatkozva kellett megkísérelniük egymás közelébe kormányozni a két űreszközt. McDivitt parancsnok többszöri próbálkozása is kudarcot vallott, a randevú nem sikerült, bizonyítván, hogy még sokat kell fejleszteni az eszközökön és eljárásokon, hogy sikeres lehessen két űrhajó találkozása a Gemini– vagy más űrprogramban. Ezt követően Ed White végrehajtotta az első amerikai űrsétát. Egy, az űrbéli mozgást elősegítő sűrített levegős pisztoly segítségével White 36 percet töltött kinn a kabinból (maga az űrhajó csaknem egy teljes fordulatig volt kihermetizált állapotban), rögtön túlszárnyalva Alekszej Leonov 15 perces űrsétájának időtartamát.
Az űrséta sikerét követően még több mint háromnapnyi repülés volt hátra, amelynek során 11 tudományos kísérletet, megfigyelést végeztek el az űrhajósok, szintén valamennyit sikeres eredménnyel. Az erőforrásokkal való takarékosság jegyében az idők nagy részében hagyták, hogy az űrhajó Newton törvényeinek megfelelően haladjon a pályáján, aktív manőverekre ritkán került sor. Probléma csak egyszer adódott, amikor a Gemini űrhajó központi számítógépe meghibásodott a 48. keringés során, emiatt kézi vezérlésű leszállásra lett szükség. A Gemini–4 végül 4 nap 1 óra 56 perc 12 másodperces repülést követően, 1965. június 7-én tért vissza és szállt le az Atlanti-óceánon, ahol a USS Wasp anyahajó várta és mentette ki.
Előzmények Gemini-kezdetek
A Gemini–program kezdetei szorosan kapcsolódnak az Apollo-program bejelentéséhez. A második világháborút követően a korábban szövetséges nagyhatalmak között kialakult a politikai szembenállás, kirobbant a hidegháború, amelynek egyik színtere, egyfajta presztízsküzdelemként, a világűr elérése, illetve az azzal kapcsolatos műszaki teljesítmények, elsőségek voltak. Bár az USA jelentette be, hogy elsőként fog egy tárgyat az űrbe juttatni a nemzetközi geofizikai év keretében, ám mégis a Szovjetunió söpörte be a dicsőséget a Szputnyik–1 felbocsátásával. Ezt követően egy sor „űrelsőséget” értek el a szovjetek (első állat űrbe juttatása, a Hold elsőkénti elérése stb.), majd 1961. április 12-én az első ember világűrbe juttatásával is történelmi tettet hajtottak végre. Az amerikai közvélemény ezt keserű vereségként élte meg, miszerint Amerika lemaradt a Szovjetunió mögött. Az újonnan felállt Kennedy-adminisztráció úgy ítélte, hogy ezt a helyzetet csak egy szinte lehetetlenül nagy vállalással lehet megváltoztatni, amely szinte semmissé teszi a korábbi szovjet teljesítményeket és vitathatatlanul vezető szerepet ad Amerikának. Tanácsadóira hallgatva Kennedy bejelentette, hogy az USA az Apollo–program keretében embert juttat a Holdra és onnan biztonságban haza is hozza. Ez volt az a bizonyos bombasztikus cél, amellyel az űrteljesítmények terén Amerika vissza akarta szerezni a presztízsét.
Ugyanakkor a realitás nagyon messze állt a Kennedy által kitűzött céltól: a Mercury-programban az USA még Föld körüli pályára sem tudott állítani egy egyszerű, nagyjából másfél tonnás űrkabint. Innen kellett eljutni oda, hogy végül egy negyvenszer akkora űrszerelvény eljusson a Holdra és vissza. Ehhez anyagok, eszközök, eljárások sorának megalkotására, feltalálására volt szükség. Az eljárások közül kiemelkedett az űrhajók randevúja, illetve összekapcsolódása, valamint az űrséta, amelynek képességét még ki kellett kísérletezni. A Mercury-program eszközeinek tervezése teljesen más feltételek mentén indult, azokkal ezeket a célokat nem lehetett teljesíteni. Logikusnak látszott tehát beindítani egy párhuzamos programot a holdprogram mellett, amely kikövezi az utat az Apollo számára a holdra lépéshez szükséges kísérletek előzetes elvégzéséhez. Erre hívták életre a Gemini–programot, amelynek repülései lépésről lépésre járták végig a célul kitűzött új műveleteket. A Gemini–4-en az űrséta volt a célok keresztjében.
Ember nélküli Gemini-tesztek
A Mercury-programhoz hasonlatosan az új űrhajó- és rakétakövetelményeknek való megfelelést ember nélküli, automata üzemmódban végrehajtott tesztekkel kívánták elvégezni. Eltérően azonban az előző programtól, nagyon kevés indítás is elegendőnek látszott az eszközrendszer űrbeli alkalmazásának igazolására, ahogy kimaradtak az állatkísérletek is. Mindössze két fő komponenst kellett igazolni: ad 1, a rakéta működőképességét, az űrhajó repülőképességét és a két eszköz összeszerelt állapotban történő repülésének paramétereit, ad 2, az űrhajó légköri visszatérési képességeit. A két cél mentén a teszteket kettébontották és két külön repülésen ellenőrizték a célok teljesülését. Ezen tesztek sikeressége volt az előfeltétele, hogy a program továbbléphessen az emberes repülésekre, majd a bonyolultabb műveletekre.
Gemini–1
A Gemini–1 volt a program legelső repülése, amely a Titan II hordozórakétát és a Gemini űrhajót használta (igaz ez utóbbi inkább volt tekinthető egy műszerekkel megtömött „héjnak", mintsem teljes értékű űrhajónak). A repülés célja a tesztcélok első felének teljesítése, az új űrhajó és az új rakéta felszállás során összeszerelt állapotban való működőképességének igazolása volt. Éppen ezért a repülést mindössze három Föld körüli fordulatra tervezték úgy, hogy nem terveztek irányított visszatérést, azaz az űrkabin a légkör felső rétegeinek természetes lassító hatására egy bizonyos idő után visszasüllyedt az atmoszférába és elégett. Az elégés elősegítésére a mérnökök négy lyukat fúrtak a hőpajzsba, hogy a kabin szétesését és elégését elősegítsék. Mivel emberek nélkül tervezték felbocsátani az űrhajót, rengeteg változtatást eszközöltek, az életfenntartó és egyéb, nem létfontosságú rendszer helyére műszereket és ballasztot építettek be, hogy a nyomást, a vibrációt, a hőmérsékletet és a gyorsulást mérjék.
A startra 1964. április 8-án került sor, 11 óra után 1 másodperccel (16:00:01 UTC). A Titan II első fokozatának kiégésére 64 kilométer magasan és 91 kilométerre a starthelytől került sor, majd a második fokozat is rendben működött, így öt és fél perccel a start után az űrszerelvény 160 kilométer magasan és 1000 kilométerre az indítóállástól Föld körüli pályára állt, elérve az első kozmikus sebességet. A pályára állás során egyetlen apróbb hiba merült fel, a rakéta égésvégi sebessége 7 m/sec-mal nagyobb volt, mint a tervezett, így az űreszköz pályája is elnyúltabb lett, a 299 kilométeres földtávolpont helyett 320 kilométerre tevődött át a csúcsmagasság. Ennek következtében az a tervezett idő, amikor az űrhajó magától visszatért, három és fél nap helyett négy napra hosszabbodott. A hivatalos program 3 keringésig tartott, eddig kísérte figyelemmel az irányítás a repülési adatokat és sikeresnek nyilvánították a tesztet. Az űrhajó visszatérésének figyelését persze tovább végezte az irányítás, ami 4 nap múltán, 1964. április 12-én történt meg, amikor az űrhajó belesüllyedt a sűrűbb légrétegekbe, ahol elégett és a roncsok a déli Atlanti-óceánba csapódtak Dél-Amerika és Afrika között.
Gemini–2
A Gemini–2 volt a program másik személyzet nélküli tesztrepülése, amelyen a kettéosztott célok mentén az űrhajó légköri visszatérését tesztelték. Ennek a repülésnek az előkészületei meglehetősen elnyúltak, a leginkább hátráltatva az egész Gemini–program előrehaladását. A legfőbb probléma az új Gemini űrhajóval volt. Mivel erre a repülésre már egy teljes értékű példányt akartak beállítani, a fejlesztés alatt álló Gemini űrhajónak teljesen el kellett készülnie, amit a gyártó McDonnell (illetve az egyes rendszereket beszállító további néhány alvállalkozó) csak késve tudott teljesíteni. Ezt tetézte, hogy több hurrikán is áthaladt Florida felett, villámcsapás érte a rakétát, oxigéntartályt kellett cserélni stb.
A második tesztrepüléssel kapcsolatos legnagyobb probléma 1964. december 9-én következett el. Aznap volt az űreszköz tervezett startja, amelyben a visszaszámlálás eljutott egészen a nulláig, amikor a beépített Üzemzavar Érzékelő Rendszer jelzett és leállította a hajtóműveket, lényegében a lehetséges legutolsó pillanatban (a hajtóművek már jártak, de a leszorító csavarok még a Földön tartották a rakétát).
A hibás startot követően egy hosszabb folyamat kezdődött a hibakeresésre, illetve a rakéta újbóli startfelkészítésére (a fő problémát a teljesen feltöltött hordozóeszköz üzemanyagának és oxidálóanyagának lefejtése, valamint az élesen, de szabályszerű működés nélkül robbanásveszélyesen maradt pirotechnikai töltetek deaktiválása jelentette). A hibás alkatrészek cseredarabjainak megérkezése után az ismételt start előkészítése is megtörtént. A Gemini–Titan–2 végül 1965. január 19-én 14:03:59-kor (9:03:59 UTC) szállt fel Cape Kennedyről, a 19-es indítóállásból. A Gemini–2 a repülési terv szerint szuborbitális pályán repült (nem is tervezték Föld körüli pályára állítani), amelynek fő célja az űrhajó minél nagyobb sebességre gyorsítása volt. 6 perc 54 másodperccel a startot követően beindult a fékezési folyamat és az űrhajó (illetve a rakéta) 3422 kilométerre a starthelytől az Atlanti-óceánon ért vizet. A leszállásra 26 kilométerre a tervezett leszállási ponttól és 83 kilométerre a kiemelésre kirendelt U.S.S. Lake Champlain repülőgép hordozótól került sor. A fő repülési célokat elérték, egyedül az üzemanyagcellák és a hűtési rendszer működésében lépett fel zavar (előbbi még a start előtt leállt, utóbbi pedig nem kellő hőmérsékletet biztosított), a teszt fő tárgyának szolgáló hőpajzs tökéletesen tette a dolgát.
Gemini–3