Expeditie 5Edit
De Expeditie 5 bemanning lanceerde op 5 juni 2002, aan boord van STS-111 en dokte met het Internationaal ruimtestation op 7 juni 2002. Tijdens haar verblijf van zes maanden aan boord van het ruimtestation installeerde Whitson het Mobile Base System, het S1-spantsegment en het P1-spantsegment met behulp van het afstandsmanipulatiesysteem van het ruimtestation; maakte een ruimtewandeling van 4 uur en 25 minuten in een Russisch Orlan-ruimtepak om een micrometeoroïdschild te installeren op de Zvezda-servicemodule; en activeerde en controleerde de Microgravity Sciences Glovebox, een laadrek van faciliteitsklasse.
Whitson werd tijdens haar verblijf benoemd tot de eerste wetenschapsofficier van NASA, en ze voerde 21 onderzoeken uit op het gebied van menselijke levenswetenschappen en microzwaartekrachtwetenschappen, evenals commerciële payloads. De Expeditie 5 bemanning keerde terug naar de Aarde aan boord van STS-113 op 7 december 2002. Na het voltooien van haar eerste vlucht, Whitson gelogd 184 dagen, 22 uur en 14 minuten in de ruimte.
Expeditie 16Edit
Haar tweede missie, Expeditie 16, lanceerde 10 oktober 2007, op Sojoez TMA-11. Samen met haar Expeditie 16 bemanningslid Yuri Malenchenko en ruimtevluchtdeelnemer Yi So-yeon keerde ze op 19 april 2008 terug naar de aarde in Sojoez TMA-11. De terugkeer was opmerkelijk omdat de voortstuwingsmodule van de Sojoez zich niet goed kon losmaken en de daaropvolgende “ballistische terugkeer” de bemanning blootstelde aan krachten die ongeveer acht keer zo groot waren als de zwaartekracht aan het aardoppervlak. Ze bracht 191 dagen, 19 uur en 8 minuten in de ruimte door op deze missie.
Op 18 december 2007, tijdens de vierde ruimtewandeling van Expeditie 16 om de S4 stuurboord Solar Alpha Rotary Joint (SARJ) te inspecteren, informeerde het grondteam in Mission Control Whitson dat ze de vrouwelijke astronaut was geworden met de meeste cumulatieve EVA-tijd in de NASA-geschiedenis, evenals de meeste EVA’s, met haar vijfde EVA. Drie uur en 37 minuten in de ruimtewandeling, overtrof Whitson NASA astronaut Sunita Williams met een totale tijd op dat moment van 29 uur en 18 minuten. Bij de voltooiing van Whitson’s vijfde EVA, de 100ste ter ondersteuning van ISS assemblage en onderhoud, Whitson’s cumulatieve EVA tijd werd 32 uur en 36 minuten, die haar op de 20e plaats voor totale EVA tijd plaatste. Haar zesde ruimtewandeling, ook tijdens Expeditie 16, bracht haar cumulatieve EVA-tijd op 39 uur, 46 minuten, die haar 23e rangschikte voor totale EVA-tijd vanaf november 2009.
Expeditie 50/51/52Edit
Peggy Whitson kwam op 19 november 2016 aan op het Internationaal ruimtestation met Expeditie 50/51, die op 17 november 2016 was gelanceerd vanaf het Baikonur cosmodrome in Kazachstan. Zij werd de commandant van Expeditie 51. Met de lancering van Expeditie 50/51 met haar erop werd Whitson, op 56-jarige leeftijd, de oudste vrouw die in de ruimte vloog. Tijdens de missie brak ze het record voor cumulatieve tijd doorgebracht in de ruimte door een Amerikaanse astronaut, en overtrof daarmee het vorige record van 534 dagen, gevestigd door Jeff Williams. Begin april 2017 werd haar missie verlengd met nog eens 3 maanden in het Internationaal ruimtestation. Op 3 september keerde ze terug in een eerder vrijgekomen stoel op de Sojoez-capsule, vergezeld door NASA’s Jack Fischer en Fjodor Yurchikhin van Roscosmos.
In januari 2017 voerde Whitson haar zevende EVA uit. samen met Expeditie 50 commandant Shane Kimbrough. Tijdens de EVA installeerden ze drie nieuwe adapterplaten en haakten ze elektrische connectoren aan die de weg voorbereiden om de ISS-batterijen te vervangen. De EVA duurde 6 uur en 32 minuten. Whitson heeft nu het record voor de oudste vrouwelijke ruimtewandelaar, en is nu gelijk met het record voor het totaal aantal ruimtewandelingen door een vrouw (zeven), samen met Sunita Williams. Na voltooiing van de zevende EVA, werd Whitson’s cumulatieve EVA-tijd 46 uur, 18 minuten, waarmee ze op de 13e plaats kwam voor totale EVA-tijd.
Op 24 april 2017 verbrak Whitson officieel het record voor langste hoeveelheid tijd doorgebracht in de ruimte door een NASA-astronaut. Als gevolg daarvan kreeg ze vanuit de Oval Office een op televisie uitgezonden telefoontje van de Amerikaanse president Donald Trump, de dochter van de president, Ivanka, en mede-astronaut Kathleen Rubins. Toen ze op die dag werd geïnterviewd verklaarde ze ‘Het is eigenlijk een enorme eer om een record als dit te breken, maar het is een eer voor mij terug om alle mensen bij NASA te vertegenwoordigen’.
Op 12 mei 2017 voerde Whitson haar negende carrière EVA uit met Jack Fischer. Na een korte vertraging vanwege lekkende apparatuur, vervingen ze een avionica-box op de stuurboord truss genaamd een ExPRESS Logistics Carrier (ELC), een opslagplatform. De duur was 4 uur en 13 minuten, en het was de 200e EVA die op het ISS werd uitgevoerd.
Op 23 mei 2017 voerde Whitson haar tiende carrière EVA uit met Fischer. Ze vervingen een back-up multiplexer-demultiplexer (MDM) eenheid die op 20 mei 2017 was uitgevallen. De duur was 2 uur en 46 minuten, waardoor Whitson’s cumulatieve EVA-tijd meer dan 60 uur bedroeg, waarmee ze derde staat op de lijst voor de meeste EVA-tijd.
Op 1 juni 2017 gaf Whitson het commando over het Internationaal ruimtestation over aan Fyodor Yurchikhin, die werd benoemd tot commandant van Expeditie 52 totdat hij, Whitson en Jack Fischer in september 2017 terugkeerden naar de aarde aan boord van Sojoez MS-04.
Whitson keerde op 3 september 2017 terug naar de aarde, nadat ze in de loop van haar carrière een totaal van 665 dagen in de ruimte had opgebouwd. Dit totaal was meer tijd in de ruimte dan elke andere vrouw wereldwijd en elke andere Amerikaan. Ze staat op de achtste plaats van de lijst van totale tijd doorgebracht in de ruimte. De duur van haar verblijf in de ruimte tijdens de expedities 50/51/52 was 289 dagen, 5 uur en 1 minuut. In juni 2020 was Whitson te gast (samen met twee bedriegsters) in een ABC-TV aflevering To Tell the Truth waarin Patti LaBelle haar correct aanwees als de recordhoudster van de tijd in de ruimte-astronaut.