Op zaterdag 29 augustus 2009 vertrok vanop het Kennedy Space Center in Florida het ruimteveer Discovery voor de 30ste Space Shuttle missie richting het internationaal ruimtestation ISS. Het ruimteveer vertrok om 5u59 Belgische tijd waarna het zich probleemloos tot in een lage baan om de Aarde begaf. Indien alles verloopt zoals gepland moet het ruimteveer op maandag 31 augustus aankomen bij het ISS waar het zich omstreeks 3u03 zal aan vasthechten. Aan boord van de Discovery bevinden zich zeven astronauten waaronder ook de Zweedse ruimtevaarder Christer Fuglesang. Eenmaal gekoppeld aan het ISS zal Fuglesang samen met de zes overige STS-128 astronauten verwelkomd worden door ondermeer Frank De Winne.
Op 7 augustus 2009 werd het Pressurized Mating Adapter 3 (PMA 3) koppelingselement van het internationaal ruimtestation ISS met een robotarm verplaatst door Frank De Winne. Deze kegelvormige adapter moest plaats maken voor de komst van een derde koppelingsmodule die begin 2010 naar het ISS gebracht wordt door middel van een Amerikaans ruimteveer. Aan het internationaal ruimtestation bevinden zich drie PMA adapters waaraan ruimteschepen kunnen koppelen met het ISS. Samen met zijn Canadese collega, Robert Thirsk, en in samenwerking met de vluchtleiding bediende Frank De Winne een 18 meter lange robotarm vanuit het ruimtestation. In totaal nam de hele operatie 6,5 uur in beslag. het hele gebeuren gebeurde in samenspraak met de vluchtleiding in het Johnson Space Center in Houston en het hoofdkwartier van het Canadian Space Agency (CSA). Uiteindelijk werd de PMA 3 adapter probleemloos van de nadirzijde aan de Unity koppelingsmodule verplaatst naar de bakboordzijde.
Frank De Winne heeft op 28 juli omstreeks 19 uur Belgische tijd samen met zijn vijf andere ISS collega's afscheid genomen van de bemanning van het Amerikaanse ruimteveer Endeavour. Nadat het ruimteveer op 15 juli 2009 gelanceerd werd, koppelde het zich twee dagen later vast aan het internationaal ruimtestation ISS. Dit was de eerste maal in de geschiedenis van het ISS dat er zich dertien ruimtevaarders aan boord van het ruimtestation bevonden. Tijdens deze STS-127 missie werd met succes het laatste onderdeel van het Japanse ruimtelabo vastgehecht aan het ISS. Met de komst van het Japanse Exposed Facility experimentenplatform kunnen de bewoners van het ISS nu een tiental wetenschappelijke experimenten permanent blootstellen aan de vijandige omgeving van de ruimte.
Ook al lijkt een verblijf van zes maand aan boord van het internationaal ruimtestation ISS erg lang toch zal Frank De Winne en zijn collega-ruimtevaarders genoeg werk om handen hebben. Met de verdubbeling van de permanente bemanning aan boord van het ISS wordt de voorziene tijd voor het uitvoeren van experimenten opgetrokken van 20 uur per week naar 70 uur per week. De zeskoppige ISS bemanning zal een veertigtal kleine en grote experimenten uitvoeren waarbij in sommige gevallen de ruimtevaarders zelf dienen als proefkonijn. Het grootste deel van zijn werk zal Frank De Winne uitvoeren in het Europese Columbus ruimtelabo dat in februari 2008 aan het ruimtestation gekoppeld werd.
De Belgische ruimtevaarder Frank De Winne heeft op vrijdag 12 juni 2009 radiocontact gehad met een school in Heverlee. Omstreeks 13u38 legden leerlingen van de Vrije Basisschool Ter Bank-Egenhoven in Heverlee contact met het internationaal ruimtestation ISS dankzij het internationaal amateurradioprogramma ARISS (Amateur Radio on the International Space Station). Tijdens het contact werden aan Frank De Winne, die zich op dat moment in de Russische Zvezda module bevond, 22 vragen gesteld die de ruimtevaarder allemaal probleemloos beantwoordde. Terwijl de leerlingen de vragen stelden kon men in de grote turnzaal van de school op een groot scherm volgen waar het ISS zich op dat moment bevond. In totaal duurde het radiocontact tien minuten.
Net als bij alle andere bemande ruimtevluchten dragen ook de bewoners van het internationaal ruimtestation ISS insignes op hun kleren. Deze insignes worden 'space patches' genoemd en stellen het algemene symbool voor van een ruimtemissie. Ook voor de twee ISS crews waar Frank De Winne deel zal van uitmaken werden er space patches ontworpen. Space patches zijn al tientallen jaren een heuse traditie in de ruimtevaart en het was pas tijdens het Amerikaanse Gemini ruimteprogramma dat elke ruimtemissie een apart space patch kreeg. Vandaag de dag worden voor elke bemande en vrijwel elke onbemande ruimtemissie insignes of patches ontworpen die meestal ook te verkrijgen zijn voor de vele verzamelaars over de hele wereld. Doordat in deze ontwerpen tal van verwijzingen en symbolen te zien zijn verteld elke patch zijn eigen verhaal. In dit artikel worden de verschillende space patches of insignes besproken die Frank De Winne draagt tijdens zijn langdurig verblijf aan boord van het ISS.
Op vrijdag 29 mei 2009 koppelde de Soyuz TMA-15 ruimtecapsule met Frank De Winne zich vast aan het internationaal ruimtestation ISS. De koppeling vond plaats om 14u34 Belgische tijd boven China op een hoogte van ongeveer 350 kilometer boven de Aarde. De koppeling verliep geheel automatisch en probleemloos. Roman Romanenko, Frank De Winne en Robert Thirsk openden iets meer dan een uur en dertig minuten na de koppeling het toegangsluik tussen het ISS en de Soyuz ruimtecapsule waarna ze verwelkomt werden door de drie ISS bewoners. Op een persconferentie na de koppeling benadrukten de verschillende participerende ruimtevaartorganisaties het belang van deze koppeling en missie.
Tijdens een laatste persconferentie benadrukte de Belgische ruimtevaarder Frank De Winne de moeilijkheid en het nut van zijn nakende missie. De Winne vergeleek zijn eerste ruimtemissie in 2002 met zijn nieuwe missie als een sprint en een marathon. De Belg liet ook weten aan de internationale pers en andere bezoekers dat de heisa rond de zieke cameraman geen invloed heeft gehad op het verdere verloop van de missie. Gisteren werd bekend gemaakt dat een cameraman van de Vlaamse televisiezender VTM ziek was waardoor het hoofd van Russische medische dienst op Baikonur besloot de man preventief in een ziekenhuis op te nemen.
Op maandag 25 mei 2009 werd op de Baikonur lanceerbasis in Kazakstan de Soyuz draagraket naar het lanceercomplex overgebracht die Frank De Winne op 27 mei in de ruimte zal brengen. Zoals gewoonlijk werd de 49 meter lange tweetraps raket in horizontale houding per spoor overgebracht van de montagehal naar het LC1 lanceerplatform. het rechtzetten van de Soyuz raket werd met enkele uren uitgesteld wegens felle rukwinden boven de lanceerbasis. Vanop dit lanceercomplex werd Joery Gagarin in 1961 ook al de eerste ruimtevaarder. De Soyuz-FG raket heeft een gewicht van 305 ton en wordt gebouwd door het Russische ruimtevaartbedrijf TsSKB-Progress in Samara.