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ネリス女学院に通う女子高生・ゆかりは、父・寛を探すためソロモン諸島へ向かった。一方、ソロモン諸島のアクシオ島にあるソロモン宇宙協会＝SSAでは、新型ロケット・LS-7の打ち上げがまたも失敗する。

父の捜索を手伝う代わりに簡単なバイトをしないかと那須田に頼まれ、引き受けてしまったゆかり。だが、簡単なバイトとは宇宙飛行士になることだった。ゆかりは、スキンタイトスーツだけを着せられ訓練を開始する。

意外や簡単に寛との再会を果たしたゆかりは、寛とある約束をしたせいでマツリと共に宇宙飛行士の訓練を続ける羽目になる。ナイスバディな野生の少女・マツリのマイペースぶりに翻弄され、ゆかりはいら立つ。

変わり者ばかりと思っていたSSAメンバーたちの、意外な宇宙への熱意に触れ、宇宙飛行へ本気になり始めたゆかり。そんななか、ゆかりは化学主任の素子が開発している新型ハイブリッド燃料の大爆発を目にする。

アクシオ島に来た母・博子に丸め込まれ、ゆかりは新型ハイブリッド燃料の使用を認めた。そして、SSAは日本初の有人ロケット打ち上げを発表。打ち上げに対する緊張とマツリへのわだかまりに、ゆかりはいら立つ。

ゆかりは、度重なる延期に我慢できず打ち上げを強行。だが、彼女の乗る宇宙船・タンポポは予定の軌道からそれていた。管制室が帰還プランを検討中、さらなるトラブルが発生し、ゆかりは船外活動を行う羽目になる。

何とか地球への帰還を果たしたゆかりとマツリは、ネリス女学院の中庭に着水していた。そんな時、宇宙実験用の金魚の様子が一変。焦るゆかりに声をかけたのは、優等生で知られる1年生の少女・三浦茜だった。

ゆかりを追ってアクシオ島に来た茜は宇宙飛行士になりたいと言い、優等生として生きてきた自分の殻を破りたい、宇宙へ行きたいと想いを語る。そんな茜にゆかりもマツリも心を打たれ、一緒に宇宙へ行こうと約束する。

茜の体力のなさに業を煮やした那須田は、ジャングル単独踏破訓練をこなせば合格という賭けに出た。そんななか、「茜が不合格になって日本へ帰った」といううそをさつきから知らされ、ゆかりは落ち込む。

第3の宇宙飛行士となった茜。那須田は宇宙飛行士が増えたことと2人乗りオービターを完成させたことで、SSAの機動力が向上したとアピールする。その頃、スペースシャトル・アトランティスでトラブルが発生した。

冥王星探査衛星オルフェウスを救うため、ゆかりと茜は軌道上のスペースシャトル・アトランティスへ向かう。だが、NASAのミッションスペシャリスト・ノーマンは、助けられることを快く思わず、ゆかりといがみあう。

トラブルが相次ぎ、オルフェウスは大幅に軌道をそれて発進してしまった。オルフェウスを救うには、アポロ計画以来前人未踏の高度3000キロメートルに挑戦するしかない。ゆかりと茜は実行を決意する。