Pavel Vinogradov tornou-se no 86º cosmonauta russo e no 360º ser humano a realizar um voo espacial orbital. A 24 de Fevereiro de 1998 foi designado como engenheiro de voo na tripulação principal da Expedição 5 e como suplente da Expedição 3 juntamente com o cosmonauta Valeri Korzun. Entre 1998 e Fevereiro de 1999 frequentou sessões de treino nos programas destas duas expedições. A 3 de Fevereiro de 1999 e por decisão da direcção da Corporação Energia, foi removido das tripulações em treino para voos à ISS e designado como engenheiro de voo da tripulação suplente da Expedição 28 à estação espacial Mir e como engenheiro de voo da tripulação principal da Expedição 29m juntamente com Salizhan Sharipov. Entre Março de 1999 e Março de 2000 levou a cabo sessões de treino no âmbito da tripulação suplente da EO-28 e a 4 de Abril de 2000 foi suplente do engenheiro de voo Alexander Kaleri na Soyuz TM-30. A partir de 5 de Junho de 2000 frequentou o treino do programa EO-29 para a estação espacial Mir. Os treinos para a estação espacial Mir foram suspensos assim que foi tomada a decisão de abandonar a estação espacial.
A sua segunda missão espacial teve lugar entre 30 de Março e 29 de Setembro de 2006 como Comandante da Soyuz TMA-8 e como Comandante da Expedição 13 com Jeffrey Williams e Marcos César Pontes (participante no voo espacial, Brasil). A partir de 6 de Julho, Thomas Reiter, que viajou a bordo do vaivém espacial OV-103 Discovery (STS-121) trabalhou como segundo engenheiro de voo na Expedição 13. Durante esta permanência na ISS realizou uma actividade extraveícular com uma duração de 6 horas e 31 minutos. A missão teve uma duração de 182 dias 22 horas 43 minutos 17 segundos, sendo o 63º cosmonauta russo e o 260º ser humano (juntamente com o astronauta Jeffrey Nels Williams) a realizar duas missões espaciais orbitais. Por ordem do Presidente da Corporação Energia, a 30 de Outubro de 2007 Pavel Vinogradov foi substituído no seu posto de Comandante do Destacamento de Cosmonautas da Corporação Energia e designado como Chefe Executivo do Centro de Teste de Voo da Corporação Energia. Na reunião da Comissão Interdepartamental para a selecção de cosmonautas e a sua nomeação para missões espaciais realizada a 5 de Abril de 2010, Pavel Vinogradov foi certificado como Cosmonauta do Destacamento da Corporação Energia. A 5 de Dezembro desse ano foi anunciado que havia sido seleccionado para levar a cabo sessões de treino para a Expedição 35/36 juntamente com Alexander Misurkhin e Christopher Cassidy, sendo os três suplentes na missão Soyuz TMA-06M. A 18 de Fevereiro de 2011 era confirmada a sua nomeação como Comandante da Soyuz TMA-08M e como Comandante da Expedição 36. A 18 de Agosto de 2011 juntamente com Alexander Misurkhin e Christopher Cassidy, participou em treinos de amaragem de emergência em Noginsky.
A 8 de Janeiro de 2004 e por decisão da Comissão Internacional para os treinos para a ISS, Pavel Vinogradov foi nomeado como Comandante da tripulação principal da Expedição 13 e mais tarde a 2 de Dezembro a sua nomeação foi aprovada. Frequentou sessões de treino com Daniel Tani (EUA) e Dmitry Kondratiyev.
Em Órbita – Vol.13 – .º 132 / Janeiro de 2013
No total dos seus dois voos espaciais, Pavel Vinogradov acumulou 380 dias 16 horas 17 minutos e 53 segundos de experiência em voo espacial. Na missão Soyuz TMA-08M torna-se no 36º cosmonauta russo e no 187º ser humano a realizar três missões espaciais orbitais.
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