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Seleccionado por la NASA en mayo de 1980, el Dr. Chang - Díaz se convirtió en astronauta en agosto de 1981. Durante su entrenamiento como astronauta, estaba también envuelto en verificación de programación de vuelo en el Laboratorio de Integración de Electrónica Aeronáutica del Transbordador (SAIL, siglas en inglés), y participó en los tempranos diseños de los estudios para la Estación Espacial Internacional. A finales de 1982, fue designado como tripulante de apoyo para la primera misión del Laboratorio Espacial, y en noviembre de 1983, sirvió como comunicador de cápsula en órbita (CAPCOM) durante ese vuelo. De octubre de 1984 a agosto de 1985, fue el líder del grupo de astronautas para apoyo del Centro espacial Kennedy. Sus deberes incluyeron el apoyo de astronautas durante el procesamiento de varios vehículos y cargas útiles, así como apoyo a la tripulación de vuelo durante las fases finales del desconteo. Ha registrado sobre 1.800 h de vuelo, incluyendo 1.500 h en aeronaves de propulsión a chorro.
El Dr. Chang Díaz se encargó de aproximar y crear lazos más cercanos entre el cuerpo de astronautas y la comunidad científica - conocida como la relación mono-hombre. En enero de 1987, empezó el Programa Interlocutor de Astronautas Científicos y luego ayudó a formar el Programa de Apoyo de Astronautas a la Ciencia, el cual dirigió hasta enero de 1989.
Doctor en Ciencia de la Universidad de Connecticut y Doctor en Leyes del Colegio Babson. Tiene Ciudadanía Honoraria del gobierno de Costa Rica (abril de 1995). Este es el más alto honor que Costa Rica concede a un extranjero, haciéndole el primero en recibir tal honor habiendo nacido ahí.
El 26 de agosto de 2013 le fue otorgado el doctorado honoris causa por parte de la Universidad de Costa Rica, en un acto solemne donde el rector de la UCR, Henning Jensen, destacó que "la Universidad reconoce y celebra la excelencia académica y el poder inspirador de sus logros personales, y la reciprocidad que ha tenido para con la sociedad costarricense".
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