Eine Logistikmission (ISS 5 A.1) zur Internationalen Raumstation war für Flug STS-​102  der „Discovery“ geplant. Pünktlich am 08.03.2001 um 11:42 UTC hob das Space Shuttle von Cape Canaveral ab. Die Crew der „Discovery“ F-​29  umfaßte Kommandant James Wetherbee und Pilot James Kelly sowie die Missionsspezialisten Andrew Thomas, Paul Richards, Juri Ussatschow (Rußland), James Voss und Susan Helms. Letztere drei bildeten zudem die zweite Stammbesatzung der ISS. In der Ablösung der bisherigen ISS-​Stammcrew bestand dann auch eine der Aufgaben der Mission. Zweiter wichtiger Punkt war die Anlieferung umfangreichen Nachschubs mit dem italienischen Multi-​Purpose Logistics Module (MPLM) „Leonardo“. Alenia Spazio hatte von der italienischen Raumfahrtorganisation ASI, die entsprechende Verträge mit der NASA geschlossen hatte, den Auftrag zum Bau von insgesamt drei MPLMs erhalten. Diese zylindrischen Frachtcontainer waren für den Transport im Frachtraum des Shuttle ausgelegt und konnten rund 9.000 kg Frachtgüter aufnehmen. Der nutzbare Rauminhalt lag bei etwa 31 m³. Größter Vorteil war aber, daß die Module mit dem Manipulatorarm der ISS direkt am „Unity“ Modul angekoppelt werden konnten, das eine wesentlich größere Luftschleuse aufwies, als die anderen Module mit ihren russischen APAS Adaptern. Das ermöglichte den Transport auch sperriger Güter, wie z.B. der ISPRs (International Standard Payload Racks), genormter Forschungsmodule für die Integration in die Labormodule der ISS. Außerdem vereinfachten der Einsatz der MPLMs erheblich die Rückführung großvolumiger Experimente und defekter Bordsysteme zur Erde. Nach einem manuell geflogenen Rendezvousmanöver koppelte die „Discovery“ am 10.03.2001 um 06:38 UTC am PMA-​2  Adapter des „Destiny“ Moduls an. Nach Abschluß der Dichtigkeitsprüfung wurden die Luken geöffnet und beide Mannschaften hatten Gelegenheit, sich kurz zu begrüßen. In den nächsten drei Stunden installierte der neue ISS Kommandant Ussatschow seinen Konturensitz im Sojus Rettungsraumschiff an der Position, wo bisher derjenige von Juri Gidsenko montiert gewesen war. Damit war der Wechsel Ussatschows in die ISS Besatzung vollzogen war. Als die Luftschleuse um 11:54 UTC wieder geschlossen wurde, hatte Gidsenko bereits seinen Platz an Bord des Shuttle eingenommen. Bis zum nächsten Tag liefen nun die Vorbereitungen zum ersten Außenbordmanöver. Dieses begann am 11.03.2001 um 05:12 UTC und wurde von Voss und Helms unternommen. Schwerpunkt des Manövers war das Umsetzen des Dockingadapters PMA-​3  am „Unity“ Modul. Die Astronauten mußten dazu acht Kabelverbindungen lösen. Ferner installierten sie die in der Nutzlastbucht der „Discovery“ untergebrachte Lab Cradle Assembly und den Rigid Umbilical am „Destiny“ Modul. Außerdem demontierte Voss eine Antenne, die er in der Luftschleuse zwischenlagerte. Schließlich bezogen die beiden Astronauten ebenfalls Position in der Luftschleuse und hielten sich für den Fall bereit, daß das Umsetzen des PMA-​3  Probleme bereitet hätte. Doch ihr Kollege Thomas versetzte den Adapter per Manipulatorarm problemlos an seine neue Position. Damit konnten Voss und Helms nach 8:56 h ihren Außenbordaufenthalt abschließen. „Dank“ einiger Probleme zu Beginn der EVA hatten sie außerplanmäßig einen bis heute ungebrochenen Rekord für die Dauer einer EVA aufgestellt. Am 12.03.2001 wurde die Luftschleuse zwischen Shuttle und Raumstation wieder für einige Stunden geöffnet. In dieser Zeit tauschten nun auch Voss und Sergej Krikaljow ihre Mannschaftszugehörigkeiten, während Thomas mit dem Manipulatorarm „Leonardo“ aus der Nutzlastbucht heraushob und am erdzugewandten Port von „Unity“ ansetzte. Verwirrung herrschte kurzzeitig, als ein Computer meldete, die Verbindung zwischen den Modulen sei nicht korrekt erfolgt. Wie sich rasch herausstellte, ein simples Verkabelungsproblem beim Anschluß des Diagnosecomputers. Damit konnte sich die Crew der ISS nun an das Entladen der Fracht begeben, während sich die Besatzung der „Discovery“ auf die nächste EVA am 13.03.2001 vorbereitete. Ausführende waren diesmal Richards und Thomas, die um 05:23 UTC die Luftschleuse verließen. Sie lösten die External Stowage Platform vom Integrated Cargo Carrier in der Nutzlastbucht des Shuttle und brachten sie außen am „Unity“ Modul an. Später holten sie das Pump Flow Control System, eine Reservepumpe, und verstauten sie auf der ESP. Mit dem Anschließen von einigen Kabeln waren ihre Arbeiten hier beendet. Sie wandten sich nun der LCA zu, wo sie ebenfalls eine Reihe von Kabelverbindungen herstellten und damit die Arbeit ihrer Kollegen während der ersten EVA abschlossen. Eine Vielzahl kleinerer Arbeiten und die fotografische Dokumentation ihrer Tätigkeiten gehörten ebenfalls zum Programm der zweiten EVA. Schließlich konnten sie manuell die Verriegelung an einer Solarzellenfläche am P6 Ausleger einrasten. Nach 6:21 h kehrten die beiden Astronauten in die Luftschleuse zurück und stellten den Druckausgleich her. Nach Abschluß ihres Außenbordmanövers tauschten nun auch die beiden letzten Mitglieder der neuen ISS Crew ihre Plätze. Mit dem Wechsel von Missionsspezialistin Helms übernahm die neue Stammbesatzung das Kommando auf der ISS, während sich William Shepherd mit seiner Crew an Bord der „Discovery“ auf die Rückkehr zur Erde vorbereitete. Die nächsten Tage waren die Besatzungen mit dem Verstauen von Fracht aus dem „Leonardo“ Modul beschäftigt, Voss und Helms bauten zudem das Kontrollpult für den neuen Manipulatorarm der ISS auf, der mit STS-​100  eintreffen sollte. Da das Flugleitzentrum die Checklisten für jene Teile, die mit „Leonardo“ zur Erde zurückkehren sollten, noch nicht komplettiert hatte, wurde der Flug der „Discovery“ um einen Tag verlängert, was der Crew unerwartet Freizeit verschaffte. Am 18.03.2001 um 10:42 UTC löste Thomas das MPLM mit dem Canadarm von seiner Dockingposition und verstaute es wieder in der Nutzlastbucht des Shuttle. Und am 19.03.2001 um 04:32 UTC koppelte schließlich auch die „Discovery“ von der ISS ab. Während sich die Mannschaft auf ihre Rückkehr zur Erde vorbereitete, erhielt sie die Nachricht, daß ihr Flug nochmals um einen Tag verlängert worden war. Ursache war schlechtes Wetter in Florida. Am 21.03.2001 um 07:32 UTC setzte die „Discovery“ dann nach 307:50 h sicher auf der Runway 15 des KSC auf. Die erste Langzeitcrew der ISS, Shepherd, Krikaljow und Gidsenko, wurde mit besonderem Interesse von den Raumfahrtmedizinern erwartet, hatten sie doch einen Flug von 3.383:39 h (rund 141 Tagen) hinter sich. Doch auch sie zeigten sich in guter körperlicher Verfassung.