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双子星8号于1966年3月16日发射，计划中要与阿金纳对接舱完成轨道集合并对接以及美国航天史上第二次舱外活动（阿姆斯特朗本人不喜欢“太空行走”
这个叫法）。
计划中，整个任务将持续75小时，阿姆斯特朗和斯科特会环绕地球55周。
当地时间上午10点阿金纳对接舱发射后，上午11点41分02秒，巨人2号（TitanⅡ）火箭发射，将两位宇航员送入太空。
进入轨道后6个半小时后，阿姆斯特朗和斯科特完成了历史上第一次轨道对接。
由于地面上的许多地方缺乏通信站，与宇航员的通讯一度中断。
此时已对接的航天器突然开始旋转，阿姆斯特朗尝试了轨道高度与机动系统（OrbitalAttitudeaem，OAMS），但没能停止旋转。
他们接受了指令中心的建议，与阿金纳分离，但旋转突然加快，达到了每秒一周。
阿姆斯特朗决定使用返回控制系统（Reentry，RCS）并关闭轨道高度与机动系统。
任务规则中明确规定返回控制系统一旦开启，航天器就必须尽快返回大气层。
宇航员办公室中的一些人认为阿姆斯特朗犯了大错，甚至还提到他不是军人这一细节。
宇航员瓦尔特·康尼翰在他的自传《全美国男孩》（TheAll-AmeriBoys）中提到阿姆斯特朗和斯科特完全忽视了这种情况下的应对方案。
这其实是不真实的；没有这方面的规则。
康尼翰还错误地认为当时阿姆斯特朗可以只打开返回控制系统中的一部分；其实他当时没有选择，只能全部打开。
康尼翰是当时不多的严肃批评阿姆斯特朗和斯科特的行为的人之一。
指挥中心负责人金·克兰兹（GeneKranz）在他的自传《永不言败》（FailureIsNotAnOption）中说道：“两位宇航员是按照训练步骤做的。
我们的训练有误，使得他们出错。
"任务决策人没意识到两个航天器对接后必须作为一个整体来对待。
阿姆斯特朗本人对这次任务觉得很难过，斯科特不得不放弃他的舱外活动，其他一些任务计划也没能完成。
他没有听到别人的评论，但猜测如果当时再冷静一些，也许就不用开启返回控制系统，或者使用阿金纳对接舱的高度控制系统就可以停止旋转而不必与其分离。
双子星8号返回后两天，阿姆斯特朗接到了他在双子星计划中的最后一次任务：双子星11号的替补指令飞行员。
已经为两次任务接受训练后，他对航天器的各个系统已经相当熟悉，任务过程中更多的是在帮助新人威廉·安德斯熟悉航天器操作。
双子星11号于1966年9月12日发射，皮特·康拉德和理查德·戈尔登执行了这次任务。
任务很成功，阿姆斯特朗担任了指令舱宇航通讯员（）。
双子星11号后，美国总统林登·约翰逊安排阿姆斯特朗、戈尔登、阿波罗航天器办公室主任乔治·洛（GeeLow），各自的妻子以及其他一些政府官员到南美进行了一次慈善访问。
他们去了11个国家的14个城市。
阿姆斯特朗在与当地名人见面时使用对方语言问好。
在巴西，阿姆斯特朗谈到了巴西著名飞行员阿尔贝托·桑托斯·杜蒙特（AlbertoSantos-Dumont），认为他发明的飞行器超过了莱特兄弟的第一架飞机。
耗时11年，投资233亿美元，6次把宇航员送上太空，7次发射飞行器。
1967年1月27日，阿姆斯特朗与戈尔登·库勃、理查德·戈尔登、吉姆·洛威尔和斯科特·卡彭特一道在华盛顿参加了《外空条约》的签署仪式。
晚上6点45分，卡彭特去了机场，其他4人返回了酒店。
在酒店的电话留言里他们得知了阿波罗1号的大火以及维吉尔·格里森、爱德华·怀特和罗杰·查菲牺牲的消息。
4人留在了酒店内，一晚上都在谈论这次事故，借酒浇愁。
1967年4月5日，阿波罗1号调查报告被公布的当天，阿姆斯特朗和其他17名宇航员与迪克·斯雷顿开会。
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