कोलमैन को नासा ने 1992 में नासा के अंतरिक्ष यात्री कोर में शामिल होने के लिए चुना था। 1995 में, वह जैव प्रौद्योगिकी, दहन विज्ञान और तरल पदार्थ की भौतिकी सहित प्रयोगों के साथ वैज्ञानिक मिशन युएसएमएल-2 पर एसटीएस-73 चालक दल का सदस्य थी। उड़ान के दौरान, उसने ह्यूस्टन मिशन कंट्रोल को सूचना दी कि उसने एक अज्ञात उड़ान वस्तु को देखा था। उन्हें मिशन एसटीएस-83 के लिए डोनाल्ड ए थॉमस के लिए बैकअप होने के लिए भी प्रशिक्षित किया गया था हालाँकि, वह समय पर स्वस्थ होने के कारण उन्हें इस मिशन की उड़ान नहीं दी गई। 1999 में एसटीएस-93 कोलमैन की दूसरी अंतरिक्ष उड़ान थी। वह शटल के कार्गो बे से बाहर चंद्रा एक्स-रे वेधशाला और उसके जड़त्वीय ऊपरी चरण को तैनात करने के मिशन विशेषज्ञ थे। 

कोलमैन ने अंतरिक्ष यात्री कार्यालय के लिए रोबोटिक्स के प्रमुख के रूप में कार्य किया, जिसमें सभी अंतरिक्ष शटल और अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन मिशनों के लिए रोबोट शाखा संचालन और प्रशिक्षण शामिल था। अक्टूबर 2004 में, कोलमैन ने एनइइएमओ 7 मिशन के एक्वानेट के रूप में एक्वेरियस पानी के नीचे प्रयोगशाला में ग्यारह दिनों के लिए पानी के भीतर रहने और काम करने के रूप में काम किया। 

कोलमैन को एक बैकअप दल यू.एस. 19, 20 और 21 के लिए चालक दल के सदस्य के हिसाब से और उनके अभियान 26 के लिए प्रशिक्षण के भाग के रूप में अभियान 24 और 25 के लिए बैकअप चालक दल के सदस्य के रूप में भी सेवा की।

कोलमैन को 15 दिसंबर, 2010 (16 दिसंबर को बैकोनूर समय) पर लॉन्च किया गया, जो अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर अभियान 26 मिशन में शामिल होने के लिए सोयूज टीएमए -20 में सवार थी। वह 1 दिसंबर 2016 को नासा से सेवानिवृत्त हुई।

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