Во-первых, он становится командиром первого Отряда космонавтов, а затем – заместителем начальника Центра подготовки. Наряду с работой в «Звёздном» при полётах экипажей он выезжает с ними на космодром, поддерживает с каждым связь. А это, порой, требовало и крепких нервов, и мудрой головы. Достаточно напомнить, что когда у «Восхода-2» отказала система автоматической посадки, в аварийной ситуации приказ на посадку «вручную» Алексею Леонову и Павлу Беляеву дал их начальник – Юрий Гагарин.

Во-вторых, вместе с другими членами Отряда Юрий Алексеевич зачисляется в Военно-воздушную инженерную академию имени Н. Е. Жуковского и, несмотря на занятость, старательно осваивает инженерные науки. Темой его дипломной работы стала система посадки космического корабля многоразового использования.

О работе над дипломом и его защите Ю. А. Гагариным рассказал в своих воспоминаниях научный руководитель доктор технических наук, профессор полковник С. М. Белоцерковский.

"Тема дипломного проекта для космонавтов – слушателей академии была задумана как комплексная, посвящённая новой для того времени, но весьма актуальной проблеме: "Проектирование космического летательного аппарата многоразового использования". Замысел был общий, но каждый из дипломников разрабатывал свой солидный обстоятельный раздел, увязанный с остальными.

Усилия распределялись так: Юрий Гагарин взялся за общую методологию использования аппарата. Кроме того, он отвечал за выбор аэродинамических форм и размеров несущих элементов для обеспечения взлёта и способов посадки по-самолётному. Систему аварийного спасения космического аппарата разрабатывал Герман Титов. За выбор аэродинамических форм на гиперзвуковом и сверхзвуковом режимах полета, за расчёт аэродинамических характеристик и обеспечение теплозащиты отвечал Андриан Николаев. Проработку компоновки и расчет весовых характеристик осуществлял Дмитрий Заикин, силовой установкой занимался Павел Попович, системами ориентации – Евгений Хрунов, топливной системой ЖРД – Валерий Быковский.