Трое подростков — Света Ишенова из Бухары, Саша Иваненко из Донецка и москвич Федя Дружинин — побеждают во всесоюзном детском космическом конкурсе и, пройдя курс специальной подготовки, отправляются в первый в истории детский полёт на космическом корабле «Астра». Во время полёта заболевает и попадает в изолятор единственный взрослый на корабле — капитан Егор Калиновский. Серия возникающих вскоре после этого аварийных ситуаций вынуждает детей-космонавтов принимать самостоятельные решения в условиях, когда ошибочные действия грозят гибелью экипажу и кораблю. С честью выдержав все испытания, герои фильма неожиданно обнаруживают, что «Астра» — подземный тренажёр, а экспедиция «первой тройки», в действительности никогда не покидавшей Землю, — психологический опыт, призванный выяснить перспективы реального детского космического полёта. Тогда же выясняется, что Федя, случайно узнавший о настоящей миссии «Астры» незадолго до старта, утаивал её от Светы и Саши, стремясь не допустить срыва ответственного эксперимента...