מאגר נרחב של ראיונות, מושגים, מאמרים, וידע בנושא מדע טכנולוגיה ורפואה.
הרינו להודיע לכל הגולשים הנכבדים שאתר זה חדשני וייחודי כפי שנראה לעין, הבא לתת מדע נרחב בנושא מדע טכנולוגיה ורפואה, האתר מתחדש כל הזמן ונוספים בו נושאים החשובים לכם לדעת, אנא התמידו בגלישה על מנת להתעדכן כל הזמן במתרחש.
יצויין לא כל התכנים והסיקורים על פי רוה היהדות
תוכנית אפולו (באנגלית: Apollo program) הייתה תוכנית החלל של ארצות הברית בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20. התוכנית בוצעה על ידי נאס"א, ושיאה היה בנחיתת האדם הראשון על הירח. ראשיתה של התוכנית הייתה בימיו של נשיא ארצות הברית דווייט אייזנהאואר, אך התנופה העיקרית לביצועה באה מהנשיא הבא, ג'ון פיצג'רלד קנדי, שקבע בנאום שנשא בפני הקונגרס ב-25 במאי 1961, את היעד "להנחית לפני תום העשור אדם על הירח ולהחזירו לכדור הארץ בשלום".
היעד שהציב קנדי הושג במשימת אפולו 11, כאשר האסטרונאוטים ניל ארמסטרונג ובאז אולדרין נחתו על הירח ב-20 ביולי 1969 והלכו על פניו. לאחר אפולו 11 שיגרה ארצות הברית חמש משימות נוספות, שגם בהן הנחיתו זוגות אסטרונאוטים על הירח. המשימה האחרונה התבצעה בדצמבר 1972. נחיתות אלו היו הנחיתות המאוישות היחידות שהתבצעו עד היום, על גרם שמיים שאינו כדור הארץ.
תוכנית אפולו באה בעקבות תוכניות חלל קודמות של ארצות הברית: תוכניות מרקורי וג'מיני, שהופעלו מסוף שנות ה-50 של המאה ה-20. תוכנית אפולו עצמה, שהופעלה בין 1961 ל-1972, עשתה שימוש במשגרים ממשפחת משגרי הסטורן לשיגור המשימות לחלל. משגרי סטורן וחלליות אפולו שימשו במשימות נוספות לתוכנית אפולו, שכללו שלושה שיגורים במהלך תוכנית סקיילאב בשנים 1973-4 ושיגור אחד במהלך תוכנית אפולו-סויוז ב-1975.
כל משימות תוכנית אפולו, למעט שתיים, היו מוצלחות. בשנת 1967, במהלך תרגיל חזרה לשיגור אפולו 1 פרצה שריפה בתא הפיקוד של החללית ושלושת אנשי הצוות נספו. ב-1970, במהלך טיסתה של משימת אפולו 13 אל הירח, ארעה תקלה במערכות קיום החיים בתא הפיקוד של החללית. התקלה חייבה את אנשי הצוות להשתמש במערכות קיום החיים של רכב הנחיתה הירחי עד שחזרו אל כדור הארץ בשלום.
תוכנית אפולו השיגה מספר ציוני דרך משמעותיים בתולדות טיסות החלל: היא התוכנית היחידה שבמסגרתה נשלחו בני אדם אל מעבר למסלול לווייני נמוך; אפולו 8 הייתה המשימה המאוישת הראשונה שיצאה ממסלול כדור הארץ והקיפה גרם שמיים אחר מלבד כדור הארץ, ואפולו 17 היא המשימה המאוישת האחרונה שעשתה זאת. תוכנית אפולו דרבנה פיתוחים טכנולוגיים בתחומים רבים מלבד מתחומי הטילאות וטיסות החלל, כגון אווירונאוטיקה, תקשורת ומחשבים. כמו כן הציתה התוכנית התעניינות בתחומים הנדסיים ומדעיים רבים בקרב בני כל הגילאים, והשאירה מתקנים ומכשירים רבים שפותחו במהלך התוכנית כציוני דרך. תאי הפיקוד של חלליות אפולו, עם כלים נוספים ששימשו בתוכנית, מוצגים במוזיאונים בכל רחבי העולם, ביניהם מוזיאון האוויר והחלל הלאומי בוושינגטון די. סי. ובמתקני נאס"א בפלורידה, טקסס ואלבמה.
במהלך שנות ה-50, המלחמה הקרה בין ארצות הברית וברית המועצות, מעצמות העל הייתה באותה תקופה, בשיא עוצמתה. המלחמה התבטאה בעימותים צבאיים עקיפים כדוגמת מלחמת קוריאה, ובמרוץ חימוש שכלל את פיתוחם של טילים בליסטיים בין-יבשתיים שהיו מסוגלים לשאת ראשי נפץ גרעיניים אל אדמת המעצמה היריבה. שתי המעצמות נעזרו רבות בידע הגרמני ששימש במלחמת העולם השנייה לפיתוח ה-V-2. בפיתוח הטילים הובילה ברית המועצות, שב-1956 הייתה לראשונה ששיגרה טיל בליסטי בין יבשתי - ה-R-7 סמיורקה - אביו הישיר של משגר הסויוז. הטיל, ששקל 280 טון, יכול היה לשאת ראש נפץ גרעיני במשקל 5 טון, הרבה יותר מיכולת הנשיאה של הטילים האמריקאיים באותה עת, שיכלו לשאת עד ל-1.5 טונות.
ביולי 1955 הודיעו ארצות הברית וברית המועצות, כל אחת בנפרד, על כוונתן לשגר לוויין מלאכותי למסלול סביב כדור הארץ במסגרת השנה הגיאופיזית הבינלאומית (יולי 1957 - דצמבר 1958). הרוסים, בהנהגתו של סרגיי קורוליוב, המהנדס הראשי של תוכנית המשגרים והטילים בברית המועצות, החליטו ב1956 להשתמש בטיל הבליסטי R-7 סמיורקה כמשגר לוויינים. בברית המועצות התנהלו ההכנות לשיגור הלוויין הראשון בסודיות, בעוד שארצות הברית ניהלה מסע מתוקשר לקראת השיגור שלה. לכן, כאשר ב-4 באוקטובר 1957 הודיעה ברית המועצות על שיגור הלווין ספוטניק 1 למסלול סביב כדור הארץ, נכנסו ראשי ארצות הברית למשבר שכונה "משבר ספוטניק". המשבר הוחמר כאשר ב-6 בדצמבר 1957 נכשל שיגורו של הלוויין האמריקאי ואנגארד TV-3, שיועד להיות הלוויין האמריקאי הראשון, בשידור חי לעיני מאות אלפי צופים. הסובייטים זכו ליוקרה בינלאומית רבה. תוכניות החלל הרוסיות נכנסו להילוך גבוה, ואוחדו לתוכנית החלל הסובייטית. רק ב-31 בינואר 1958 הצליחה ארצות הברית לשגר את לוויינה הראשון, אקספלורר 1. לוויין זה שוגר על גבי טיל יופיטר C, שפותח על ידי צוות בראשותו של ורנר פון בראון, שעבד עבור הסוכנות הצבאית לטילים בליסטיים. למרות הצלחת השיגור, האמריקאים עדיין היו בפיגור משמעותי בעוצמת הטילים ששימשו כמשגרים, פיגור שבא לידי ביטוי במשקל הלווינים: ספוטניק 1 שקל יותר מ-80 ק"ג, בעוד אקספלורר 1 שקל פחות מ-14 ק"ג. משמעות הפרש זה הייתה עליונות בליסטית גדולה מאוד של הסובייטים על פני האמריקאים.
ב-29 ביולי 1958 הועבר בקונגרס האמריקאי חוק האווירונאוטיקה והחלל הלאומי, שייסד את נאס"א, סוכנות החלל האמריקאית. המשימה שהוטלה על נאס"א הייתה הובלת תוכנית החלל האמריקאית, והאתגר המרכזי שהציבה לעצמה היה לשגר את האדם הראשון לחלל במסגרת תוכנית מרקורי. ואולם, הסובייטים שוב הקדימו את האמריקאים. ב-12 באפריל 1961 שיגרה ברית המועצות לטיסה מסלולית את החללית "ווסטוק 1", ובה הקוסמונאוט יורי גגארין - האדם הראשון בחלל. ב-5 במאי 1961 שיגרה ארצות הברית את החללית "פרידום 7" לטיסה תת-מסלולית, ובה האסטרונאוט האמריקאי הראשון, אלן שפרד; רק ב-20 בפברואר 1962 שיגרה ארצות הברית את החללית "פרנדשיפ 7" שנכנסה לטיסה מסלולית, ובה האסטרונאוט ג'ון גלן.
הסובייטים הקדימו את ארצות הברית גם בתחומים נוספים של המירוץ לחלל: הם שיגרו את לונה 1 (ינואר 1959), הגשושית הראשונה שעזבה את שדה הכבידה של כדור הארץ; את לונה 2 (ספטמבר 1959), הגוף המלאכותי הראשון שפגע בירח; ואת לונה 3 (אוקטובר 1959), שהייתה הראשונה לשדר תמונות מצידו הרחוק של הירח.
בתחילת 1960, בתקופת נשיאותו של אייזנהאואר, הועלו הצעות להנחית אדם על הירח, כתוכנית המשך לתוכנית מרקורי. בעוד קפסולת המרקורי יכלה לספק מגורים לאסטרונאוט אחד בלבד למשך פרק זמן קצר במסלול סביב כדור הארץ, החללית שתוכננה לנחיתה על הירח הייתה יכולה לשאת שלושה אסטרונאוטים למסלול סביב הירח ובסופו של דבר גם לנחות על פניו. התוכנית, שעוד לא תוקצבה, נקראה על שמו האל היווני אפולו על ידי מנהל נאס"א אייב סילברסטין שמאוחר יותר אמר כי "בחרתי את השם לחללית כמו שבחרתי את השם לבני". סילברסטין סיפר כי בחר את השם אחרי שעיין בספר על המיתולוגיה היוונית ערב אחד בביתו בתחילת 1960. הוא חשב כי "התמונה של אפולו חולף במרכבתו על פני השמש תאמה למטרה הכללית של התוכנית המוצעת". בעוד נאס"א החלה לתכנן את התוכנית, המימון לתוכנית היה רחוק מלהיות מובטח בהתחשב בגישתו האמביוולנטית של אייזנהאואר לטיסות חלל.
בנובמבר 1960 נבחר ג'ון פ. קנדי לנשיאות ארצות הברית אחרי קמפיין שהבטיח עליונות על פני ברית המועצות בתחום טיסות החלל והגנת הטילים. על ידי שימוש בחקר החלל כסמל ליוקרה לאומית הוא הזהיר מפני "פער הטילים" בין שתי האומות והבטיח להפוך את ארצות הברית לא ל"ראשונה אבל, ראשונה וְ... או ראשונה אם, אלא ראשונה. נקודה." (.not first but, first and, first if, but first period). למרות נאומיו, קנדי לא הגיע להחלטה בקשר לתוכנית אפולו מיד עם כניסתו לבית הלבן. הוא ידע מעט על הפרטים הטכניים של תוכנית החלל וכן נרתע מהמחויבות הפיננסית המאסיבית שנדרשה לביצוע נחיתה מאוישת על הירח. כאשר מנהל הסוכנות החדש של נאס"א ג'יימס וב (שמונה על ידי קנדי) ביקש הגדלה של 30% בתקציב הסוכנות, תמך קנדי בהאצת תוכנית פיתוח המשגרים הגדולים של נאס"א (משגרי הסטורן), אך נמנע מלהגיע להחלטה בקשר לתוכנית הרחבה יותר.
ב-12 באפריל 1961, הפך הקוסמונאוט הסובייטי יורי גאגארין לאדם הראשון בחלל, ובכך חיזק את החששות של האמריקאיים שהם מפגרים בכל הקשור לטכנולוגיה אל מול ברית המועצות. בפגישה של ועדת המדע והאסטרונאוטיקה של ארצות הברית יום לאחר טיסתו של גאגארין, הבטיחו חברי קונגרס רבים את תמיכתם בתוכנית שמטרתה להבטיח כי ארצות הברית תשיג את ברית המועצות. קנדי לעומת זאת היה זהיר בתגובתו לחדשות וסירב להתחייב לתגובת האמריקאים כלפי הסובייטים.
ב-20 באפריל שלח קנדי תזכיר לסגנו לינדון ב. ג'ונסון שבו ביקש ממנו לבחון את תוכנית החלל האמריקאית ותוכניות אשר יכולות לסייע לנאס"א להשיג את תוכנית החלל הסובייטית. כעבור כשבוע הגיב ג'ונסון וסיכם כי "איננו משקיעים את מירב המאמצים ואיננו מקבלים את התוצאות הדרושות להפיכת המדינה למובילה בתחום". התזכיר סיכם כי נחיתה מאוישת על הירח רחוקה מספיק כדי שארצות הברית תוכל להשיג מטרה זו לפני ברית המועצות
ב-25 במאי 1961, פחות משלושה שבועות לאחר טיסתו של שפרד, הציג הנשיא קנדי את תמיכתו בתוכנית אפולו במהלך נאום מיוחד בפני שני בתי הקונגרס:
ראשית, אני סבור שעל אומה זו להציב לה כיעד מחייב, כי עד תום העשור תושג המטרה של הנחתת אדם על הירח והשבתו ארצה בשלום. שום פרויקט חלל אחר לא ירשים כל כך את האנושות או יהיה חשוב כל כך לחקר החלל בטווח הארוך; שום פרויקט אחר גם לא יהיה קשה כל כך, או יקר כל כך, להשגה.
נשיא ארצות הברית ג'ון קנדי בנאום מיוחד בפני שני בתי הקונגרס, ביום 25 במאי 1961
לאחר הצגת התוכנית אפילו עובדים בנאס"א הטילו ספק בהיתכנות הגשמת חזונו של קנדי, זאת לאור העובדה שהם לא הצליחו אפילו לשגר אדם למסלול. קנדי אף נטה להסכים לחבור למשימה משותפת של ארצות הברית וברית המועצות אל הירח, על מנת להימנע משכפול המאמצים
הנחתת אדם על הירח לפני תום העשור דרשה פריצת דרך של יצירתיות טכנולוגית והתחייבות להקצאת משאבים הגדולה ביותר (24 מיליארד דולר) שנעשתה אי פעם על ידי מדינה כלשהי למטרות שלום. בשיאה העסיקה תוכנית אפולו כ-400,000 עובדים והסתייעה ביותר מ-20,000 חברות תעשייתיות ואוניברסיטאות.
התוכנית דרשה גם את הפיכת קבוצת משימות החלל, שהפעילה עד כה את משימות החלל המאוישות של נאס"א ממרכז החלל לנגלי, למרכז חדש - "מרכז טיסות החלל המאוישות" (מאוחר יותר קיבל המרכז את השם מרכז החלל ג'ונסון) - שהוקם ביוסטון, טקסס, על קרקעות שנתרמו על ידי אוניברסיטת רייס. בספטמבר 1962, כאשר שתי משימות מרקורי כבר הקיפו את כדור הארץ, ובניית המרכז החדש החלה, ביקר קנדי באוניברסיטת רייס והציג את אתגר התוכנית בנאום מפורסם:
אבל למה, ישנם השואלים, הירח? למה לבחור בזה כמטרתנו? והם עשויים לשאול, למה לטפס על ההר הגבוה ביותר? למה, 35 שנה קודם, לחצות בטיסה את האוקיינוס האטלנטי?...
אנו בוחרים להגיע אל הירח. אנו בוחרים להגיע אל הירח בעשור הזה, ולעשות את הדברים האחרים, לא משום שהם קלים, אלא משום שהם קשים, משום שמטרה זו תאפשר לארגן ולמדוד את מיטב האנרגיות והכישורים שלנו, משום שאתגר זה הוא אתגר שאנו מוכנים לקבל על עצמנו, אתגר שאיננו מוכנים לדחות, ואתגר שאנו מתכוונים גם לנצח...
לפני שנים רבות, חוקר הארצות הבריטי הגדול ג'ורג' מאלורי, שעמד למות על הר האוורסט, נשאל מדוע הוא רצה לטפס עליו. הוא ענה, "מפני שהוא שם". ובכן, החלל נמצא שם, ואנו עומדים לטפס עליו, והירח והפלנטות האחרות נמצאים שם, ותקוות חדשות לידע ושלום נמצאים שם. ולכן, ביוצאנו למסע, אנו מבקשים את ברכתו של אלוהים להרפתקה המסוכנת ביותר, והגדולה ביותר, אשר בני אדם יצאו אליה אי פעם.
כבר ב-1959 החלו לבחון בנאס"א שיטות להנחתת אדם על הירח. ארבע שיטות נשקלו:
1.טיסה ישירה - חללית תטוס היישר אל הירח כיחידה אחת, תנחת על פניו, ותמריא ממנו בעוזבה את שלב הנחיתה על הירח. תכנון זה דרש משגר גדול במיוחד - ה"נובה" - שתוכנן לכך.
2.מפגש במסלול סביב כדור הארץ (EOR) - בדומה לשיטת ה"טיסה הישירה", גם שיטת ה-EOR כללה את נחיתתה של חללית על הירח כיחידה אחת. בשונה משיטת ה"טיסה הישירה" עם זאת, תוכנית ה-EOR כללה את הרכבת החללית במסלול סביב כדור הארץ, תוך ביצוע מספר שיגורים (עד ל-15 שיגורים), במטרה לצמצם את הסיכונים והעלויות הכרוכים במשגר ה"נובה"
3.מפגש על קרקע הירח - שתי חלליות ישוגרו במקביל. הראשונה תהיה חללית אוטומטית שתישא דלק ותנחת על הירח. אחריה תשוגר ותנחת על הירח חללית מאוישת. אחרי הנחיתה יועבר הדלק מהחללית האוטומטית אל החללית המאוישת אשר תמריא חזרה אל כדור הארץ.
4.מפגש במסלול סביב הירח (LOR) - משגר יחיד יישא חללית שתורכב משני חלקים: תא פיקוד שיישאר במסלול סביב הירח (מעין חללית אם), ורכב נחיתה שינחת על הירח, וימריא ממנו חזרה אל "חללית האם" שתשוב אל כדור הארץ. בניגוד לתוכניות האחרות, תוכנית ה-LOR דרשה רק נחיתת חלק קטן מהחללית על הירח, ובכך להפחית משמעותית את כמות הדלק שנדרשה - כלומר דרוש משגר פחות עוצמתי מה"נובה". כמו כן לשיטת ה-LOR היה יתרון נוסף: רכב הנחיתה הירחי יוכל לשמש כ"סירת הצלה" במקרה של תקלה בתא הפיקוד (היתרון אכן יושם בהצלחה במשימת אפולו 13, כאשר תקלה במכל חמצן בתא השירות השאירה את תא הפיקוד משותק, ולכן רכב הנחיתה סיפק הנעה, אנרגיה חשמלית ומערכות קיום חיים לצוות עד לחזרתם בשלום לכדור הארץ).
כשהציג קנדי את חזונו להנחתת אדם על הירח, הערכתן של ארבע השיטות עדיין לא הסתיימה, ומחלוקות התגלעו בנוגע לשיטה העדיפה. כמו כן, נאס"א לא שיגרה קודם לכן אף טיסת חלל אמיתית (כלומר לטיסה מסלולית, הטיסה המסלולית הראשונה של נאס"א שוגרה רק בפברואר 1962), והייתה חסרת ניסיון שהיה עשוי לסייע לה בבחירת השיטה. כמו כן לא היה ידוע אם חלליות יצליחו להיפגש ולעגון בחלל, והאם בני אדם יכולים לשהות בחלל לתקופה ממושכת - זמן הטיסה אל הירח והשהייה על פניו (3 ימי טיסה לכל כיוון ועוד מספר ימים על קרקע הירח). גם חוסר בידע טכני ומדעי, כמו למשל האם בכלל אפשר לנחות על הירח (לא הייתה ידועה עובייה של שכבת האבק שכיסתה את פני הירח), הקשו על בחירת השיטה.
בתחילת 1961 הייתה שיטת הטיסה הישירה המועדפת על נאס"א. מהנדסים רבים חששו שהיפגשות בחלל, שלא לדבר על עגינה בין שתי חלליות, אשר לא נוסו אפילו במסלול סביב כדור הארץ, יהיו קשים מאוד לביצוע במסלול סביב הירח. עם זאת, מתנגדי השיטה, וביניהם ג'ון הובולט ממרכז החלל לנגלי, הדגישו את הפחתת המסה החשובה שהייתה אפשרית בשיטת ה-LOR. במהלך 1960 ו-1961 הוביל הובולט מהלכים להכרה בשיטת ה-LOR כשיטה בת קיימא ובת ביצוע. על ידי שליחת תזכירים בנושא למנהל השותף רוברט סימנס (ועקיפת המדרג בתוך נאס"א) ותוך הכרה בכך שדעתו היא "כמו קול במדבר". הובולט ביקש כי השיטה תוכלל במחקרים בנושא.
כינון וועדת גולובין (Golovin committee) על ידי סימנס ביולי 1961 מייצג את נקודת המפנה בבחירת שיטת הטיסה לירח של נאס"א. בעוד ועדת אד-הוק (ad-hoc committee) נועדה להמליץ על המשגרים שישמשו את תוכנית אפולו, היא הכירה בכך שבחירת שיטת הטיסה לירח היא גורם משמעותי בשאלה. הוועדה המליצה על שיטה משולבת של EOR ו-LOR, אך העיון בשיטת ה-LOR, יחד עם עבודתו הבלתי פוסקת של הובולט, שיחקו תפקיד מרכזי בפרסום היתכנות השיטה. בסוף 1961 ובתחילת 1962 החלו לתמוך חברים מקבוצת משימות החלל של נאס"א במרכז החלל לנגלי (שהייתה בתהליכי הפיכה למרכז טיסות החלל המאוישות ביוסטון) בשיטת ה-LOR.[23] למהנדסים במרכז טיסות החלל מרשל לקח עוד זמן עד ששוכנעו ביתרונות השיטה, אך תמיכתם בשיטה הוכרזה על ידי וורנר פון בראון בעת תדריך ביוני 1962. בחירתה הרשמית של נאס"א בשיטת ה-LOR הוכרזה ב-11 ביולי 1962, בעת שכינסה אסיפה של 11 חברות תעשייה אמריקאיות והציגה בפניהן את האתגר, מולו הן עתידות להתמודד. היסטוריון החלל ג'יימס האנסם סיכם כי:
"לולא אימצה נאס"א דעת מיעוט עקשנית זו ב-1962, ארצות הברית עדיין הייתה מגיעה אל ירח, אך כמעט בוודאות לא לפני תום שנות ה-60, תאריך היעד שהציב קנדי."
אך הייתה עוד דרך לעבור. כשהציגה נאס"א את בחירתה בשיטת ה-LOR לנשיא בקיץ 1962, הטיל היועץ המדעי של קנדי,
ג'רום וויזנר, קול חוסם על ההחלטה. רק ב-7 בנובמבר 1962 אושרה השיטה סופית ונאס"א יכלה להתחיל לעבוד על הוצאתה לפועל של התוכנית.
לשם הוצאתה לפועל של תוכנית אפולו נדרשה נאס"א לכוח אדם רב. בין 1960 ל-1963 עלה מספר המועסקים של נאס"א מ-10,000 ל-36,000. התוכנית דרשה גם מתקנים ראויים שבהם ניתן היה לפתח את התוכנית, ועל כן הקצתה נאס"א לתוכנית שלושה מרכזי חלל:
מרכז טיסות החלל המאוישות (MSC) (לימים יהפוך למרכז החלל ג'ונסון - JSC) הוקם ב-1961 אך בנייתו החלה רק באפריל 1962 על יד יוסטון, טקסס. תפקידו של המרכז הוא לתכנן את חלליות התוכנית, לאמן את האסטרונאוטים שישתתפו בתוכנית, ולנהל את המשימות מהשיגור ועד לנחיתה. בין מתקני המרכז היו מרכז בקרה, סימולטורים לאימון על החלליות, ואזורים שדימו את חוסר המשקל בחלל ואת קרקע הירח. את המרכז ניהל רוברט גילרות', מהנדס לשעבר ב-NACA (הסוכנות שקדמה לנאס"א), ששיחק תפקיד מרכזי בתוכנית החלל האמריקאית החל מ-1958. המרכז לקח חלק גם בתוכנית ג'מיני, שהייתה למעשה תוכנית הכנה לקראת תוכנית אפולו. המרכז העסיק ב-1964 15,000 עובדים.
מרכז טיסות החלל מרשל (MSFC) נחנך ביולי 1961 ברדסטון ארסנל, שבהאנטסוויל, אלבמה, ונבנה על שטחים שהיו שייכים לפני כן לסוכנות הצבאית לטילים בליסטיים. המרכז העסיק מדענים ומהנדסים גרמניים רבים, שהשתתפו בפיתוח טיל ה-V-2 בתקופת מלחמת העולם השנייה עבור גרמניה הנאצית. ורנר פון בראון היה ראש הסוכנות, והוא נשאר בתפקיד זה עד ל-1970. תפקיד המרכז היה לפתח את משגרי התוכנית - משגרי הסטורן, וכן מערכות ורכיבים נוספים, כולל רכב הנדידה הירחי.
מרכז החלל קנדי (KSC) הוקם ביולי 1962 כ"מרכז לפעולות שיגור", אך בעקבות רצח קנדי שונה שמו לזה הנוכחי. תפקידו של המרכז, שהוא למעשה נמל חלל, היה להכין את המשגרים, החלליות והאסטרונאוטים לשיגור, ולפקח על שיגורם. המרכז הוקם במריט איילנד, פלורידה, בסמוך לנמל החלל קייפ קנוורל ממנו בוצעו השיגורים של תוכניות מרקורי וג'ימיני (ותוכניות לא מאוישות נוספות). המרכז כלל (וכולל גם היום) אזור שיגור יחיד - LC-39 - בו שני כני שיגור, שנבנו במיוחד לשימוש משגרי הסטורן העוצמתיים (בסוף שנות ה-70 הוסבו הכנים לשימוש מעבורות החלל וכיום (2012) עוברים הסבה לשימוש המערכת העתידית, SLS), ומתקן הרכבה בעל נפח עצום (3,665,000 מ"ק) בתוכו ניתן היה להרכיב מספר משגרים במקביל. זחל ענק שימש להעברת המשגרים ממתקן ההרכבה אל כן השיגור. השיגור הראשון מהמרכז היה שיגור משימת אפולו 4 הבלתי מאוישת ב-9 בנובמבר 1967.
מתקנים נוספים של נאס"א לקחו גם הם חלק בתוכנית אפולו ובתוכניות שהובילו אליה, אך לא בצורה משמעותית כמו המתקנים שצוינו לעיל. במרכז החלל ג'ון סטניס שהוקם ב-1961 במיסיסיפי נבחנו מנועים ששימשו את משגרי הסטורן והחללית אפולו. במרכז המחקר איימס שבקליפורניה, שהוקם כבר ב-1939 והועבר לידי נאס"א עם הקמתה ב-1958, פותחו מערכות החדירה לאטמוספירה של חללית האפולו. המעבדה להנעה סילונית בקליפורניה, שהתמחתה (ועדיין מתמחה) בבניית והפעלת גשושיות, הוציאה לפועל את תוכניות ה"סיור" (כדוגמת סרוויור) שקדמו לתוכנית אפולו.
במעט יותר מ-8 שנים (מהצגת התוכנית על ידי קנדי ועד לתאריך היעד שהציב) היה על נאס"א לגבור על אתגרים חסרי תקדים בתחומים הטכנולוגיים, הארגוניים והכלכליים:
המשגר ששימש לשיגורו של אלן שפרד לטיסתו התת-מסלולית ב-5 במאי 1961, היה המרקורי-רדסטון, שפותח מהרדסטון, טיל בליסטי לטווח בינוני שנכנס לשירות ב-1958. משגר זה יכול היה לשאת כ-2 טונות של מטען לטיסה תת-מסלולית. האטלס LV-3B ששימש לשיגור המשימות המסלולית בתוכנית מרקורי יכול היה לשאת מטען של פחות מטון וחצי, אך לטיסה מסלולית. לשם הנחתת אדם על הירח, נדרשה נאס"א למשגר שיוכל לשאת 120 טון לטיסה מסלולית - אתגר עצום. ורנר פון בראון החל להתמודד עם אתגר זה כבר ב1958, כאשר החל לפתח שיטה לאיחוד מספר מנועים ("אשכול מנועים") המונעים במימן נוזלי, בעלי עוצמה רבה, לשלב יחיד של משגר. תוכנית הפיתוח, שהחלה תחת אחריות ABMA, הועברה, יחד עם פון בראון וצוותו, לאחריות מרכז טיסות החלל מרשל שהוקם ביולי 1960. מאוחר יותר קיבלה תוכנית הפיתוח את השם סטורן.
שני מנועים רקטיים חדשים, (F-1 ו-J-2) פותחו גם הם עבור התוכנית. פיתוח מנוע ה-F-1, אשר נכון להיום הוא המנוע העוצמתי ביותר מסוגו, כלל את יישומן של שיטות פיתוח ובנייה יוצאות דופן (המנוע שרף 2.5 טונות של דלק וחמצן נוזלי כל שנייה), ונמשך זמן רב בעקבות בעיות חוסר יציבות בתא הבעירה. שלבו השני של הסטורן V (S-II) נתקל גם הוא בקשיי פיתוח בגלל מכל המימן העצום שלו והדרישה להפחתה במשקלו.
פיתוח חללית האפולו, המורכבת מה-CSM (תאי הפיקוד והשירות) ומרכב הנחיתה הירחי, היה אחד האתגרים הקשים ביותר בתוכנית. ה-CSM היה כלי בגודל עצום ביחס לחלליות האמריקאיות הקודמות ומשקלו הגיע ליותר מ-30 טון. רכב הנחיתה הירחי היה כלי שנועד למלא תפקיד שלא נוסה מעולם, שהיה אמור לעבוד בתנאי שטח שמעולם לא נבחנו קודם לכן, ושפותח למרות חוסר הניסיון בתחום. הבעיות שצצו בעת פיתוחו, כולל בעיות משקל יתר, בעיות תוכנה ובעיות מנוע כמעט והובילו לביטול תוכנית הנחיתה.[34] דרישות האמינות והבטיחות המחמירים שהוצבו לחללית ולמשגרים (הסיכון לאובדן הצוות היה צריך להיות פחות מ-0.1%) היוו אתגר משמעותי נוסף.
תוכנית הפיתוח נתקלה בקשיים רבים, שנפתרו רק בעזרת תקציבים נוספים, שהאמירו והגיעו לשיאם ב-1965. באותה שנה היה התקציב לתוכנית אפולו בלבד כ-3% מתקציב הממשל הפדרלי (תקציב נאס"א באותה שנה היה 5.5% מהתקציב הפדרלי). פתרון הקשיים התאפשר גם בעזרת גיוס מנהלים מכל הדרגים ומכל התחומים שפיקחו על התקדמות התוכנית ופתרו משברי תכנון, פיתוח וניהול.
בחינת רכיבי התוכנית בפעולה הייתה תהליך חיוני ביותר גם הוא. תהליך הבחינה היווה כ-50% מעבודת הפיתוח, ובתוכניות החלל הקודמות של ארצות הברית בוצעו בצורה ידנית כמעט לחלוטין. בתוכנית אפולו לעומת זאת, נעשה שימוש בפעם הראשונה במערכות מחשוב, שהתפתחו במהירות תודות לתוכנית. מערכות אלה אפשרו לבצע מדידות של מאות נתונים במהלך המבחנים, ובכך היו יכולים המהנדסים והמדענים להתמקד בפירוש המדידות ולא בביצוען.
קבוצת האסטרונאוטים הראשונה של נאס"א ("שביעיית מרקורי") הייתה קבוצה של טייסי ניסוי שגויסו משורות הכוחות המזוינים של ארצות הברית, שהיו בעלי תואר מינימלי בהנדסה, בני פחות מ-40, ושעמדו בקריטריונים פיזיים ומנטליים שהוצבו על ידי נאס"א. בגיוסים הבאים של נאס"א (9 ב-1962, 14 ב-1963 ו-15 ב-1966), שיועדו לספק אסטרונאוטים לתוכנית אפולו (וגם לתוכנית ג'מיני), נקבעו קריטריונים חדשים: הגיל ירד ל-35, כמות שעות הטיסה שנדרשה הופחתה,
והורחב טווח התארים האקדמיים המותרים. כמו כן בוצעו שני גיוסים לבעלי PhD ב-1965 (4 אסטרונאוטים) וב-1967 (11 אסטרונאוטים), אך בסופו של דבר רק אחד מאותם 15 טס לירח (השאר טסו בתוכניות סקיילאב ובתוכנית המעבורות).
אימוני האסטרונאוטים כללו בעיקר סימולציות בחללית אפולו וברכב הנחיתה, אך גם קורסים באסטרונומיה (לשם ניווט על פי הכוכבים בחלל), בגאולוגיה (לבחינת קרקע הירח) ובצילום. האסטרונאוטים בילו שעות טיסה רבות ב-T-38 טאלון כדי לשמור על מיומנות טיסה (שלושה אסטרונאוטים מקבוצה 3 נהרגו בעת אימונים במטוס זה). האסטרונאוטים היו מעורבים גם בתכנון החלליות כדי שאלו יהיו נוחים ופשוטים לתפעול. כמו כן התבקשו האסטרונאוטים לתרום מזמנם למסעי הפרסום שהתלוו לתוכנית. האסטרונאוט דיק סלייטון, שנבחר לטוס בתוכנית מרקורי, אך קורקע בגלל בעיות רפואיות (הוא טס לבסוף במשימת אפולו-סויוז ב-1975), היה אחראי על שיבוץ האסטרונאוטים למשימותיהם.
חללית האפולו תוכננה כך שאפשרה שליטה מלאה של הצוות, זאת למקרה שהתקשורת עם כדור הארץ אובדת. שליטה עצמאית זו הופחתה משמעותית לאחר מספר משימות אפולו, מאחר שמרכז החלל ביוסטון יכול לשלוט בחללית בצורה יעילה יותר מאשר הצוות, זאת בזכות מחשבים חזקים יותר ומערכות עיקוב משוכללות. את רוב פעולות ההיגוי של החללית ביצע מחשב הטיסה של החללית, שקיבל מידע מחיישנים ומערכות שונות בחללית. ללא מחשב הטיסה לא היו האסטרונאוטים יכולים לנחות על הירח, מפני שרק המחשב יכול היה לנצל את הדלק בצורה אופטימלית ולא לבזבזו בעת הנחיתה. המחשב היה חיוני כל כך עד שהוא כונה "איש הצוות הרביעי".
41 אסטרונאוטים הוקצו להטיס את חללית האפולו. 32 מהם היו חלק מתוכנית אפולו בעוד השאר שויכו לתוכנית סקיילאב ואפולו-סויוז. 24 מתוך האסטרונאוטים של תוכנית אפולו עזבו את מסלול כדור הארץ ונכנסו למסלול סביב הירח (אפולו 7 ו-9 לא עזבו את מסלול כדור הארץ). 12 מתוך אותם 24 הלכו על הירח, ו-6 מתוך ה-12 נסעו ברכב הנדידה הירחי. בעוד שלושה מתוך ה-24 טסו לירח פעמיים, אף אחד מהם לא נחת עליו יותר מפעם אחת. תשע המשימות ששוגרו לירח שוגרו בין דצמבר 1968 לדצמבר 1972.
מלבד עשרים וארבעה האסטרונאוטים שעזבו את כדור הארץ, אף אדם אחר לא עזב מעולם את מסלול LEO סביב כדור הארץ. אותם אסטרונאוטים הם בני האדם שהגיעו לנקודה הרחוקה ביותר מכדור הארץ; צוות אפולו 13 הגיע רחוק מכולם. הם גם בני האדם היחידים שראו את צידו הרחוק של הירח במו עיניהם. שנים עשר האסטרונאוטים שנחתו על הירח הם בני האדם היחידים שדרכו על גוף שמימי כלשהו שאינו כדור הארץ. שניים מתוך עשרים וארבעה האסטרונאוטים שטסו לירח פיקדו בהמשך על משימת סקיילאב, אחד מהם פיקד על אפולו-סויוז, אסטרונאוט מתוך קבוצה זו פיקד על משימת נחיתה של מעבורת החלל אנטרפרייז ושניים נוספים פיקדו על משימות חלל של מעבורות החלל. בסך הכל, עשרים וארבעה מהאסטרונאוטים שטסו בתוכנית אפולו (ובהם גם ג'ון גלן, שטס בתוכנית מרקורי) טסו גם במשימות מעבורות החלל.
כללי המשימה חייבו כי, ברוב המקרים, רק אדם אחד במרכז הבקרה יתקשר ישירות עם הצוות הנמצא בטיסה. הכללים ציינו גם כי על אדם זה להיות אסטרונאוט בעצמו, שיוכל להבין את המצב בחללית ולתקשר עם הצוות בצורה הברורה ביותר. איש קשר כונה Capsule Communicator או CAPCOM, כינויים שהיו קיימים גם בתוכניות ג'מיני ומרקורי. אנשי הקשר נבחרו בדרך כלל מצוותי הגיבוי או התמיכה של המשימה, ועבדו במשמרות במהלך משימות ארוכות.
כשהתחילה תוכנית אפולו הייתה נאס"א רגישה מאוד לנושאי בטיחות. שיגור אדם אל הירח מסוכן הרבה יותר משיגור אדם למסלול סביב כדור הארץ. במקרה של בעיה במסלול סביב כדור הארץ, ניתן לנחות בקלות יחסית על ידי הפעלת מנועי האטה וחדירה לאטמוספירה, אך לאחר שחללית עוזבת את מסלול כדור הארץ, על מערכות החללית לפעול ללא רבב אם בכוונתה לנחות חזרה בכדור הארץ. נאס"א קבעה כי על רכיבי התוכנית לעמוד בהסתברות של 99% להשלמת המשימה ו-0.1% לאיבוד הצוות (הסיכון עסק ברכיבים בלבד ולא בתנאי המשימה).
החלטות טכניות ומבניות להבטחת אמינות ובטיחות החללית נעשו בעת פיתוח ובניית חללית האפולו. החלליות השתמשו בדלק היפרגולי, שניצת מיד עם מגעו במחמצן, וחוסך את הצורך במערכת הצתה מועדת לתקלות. שמירת הלחץ בחלליות נעשתה באמצעות גז הליום ולא באמצעות מערכת שאיבה העלולה להתקלקל. כדי להגביר את הבטיחות תכננה נאס"א לתת לאסטרונאוטים את הכלים והידע הדרושים לשם תיקון החללית בחלל או בירח, אך הדבר דרש אימונים מסובכים, למידת מערכות מסובכות ונשיאת כלי עבודה ורכיבי חילוף, ולכן הרעיון ננטש ב-1964. במקום זאת הוחלט להוציא את האסטרונאוטים לסיורים באתרי פיתוח ובניית החלליות ולשתפם בתוכניות הפיתוח.
החלליות צוידו במערכות גיבוי שיכלו לפעול פחות או יותר ברמתן של המערכות המקוריות. מערכת הניווט של רכב הנחיתה הירחי כללה מערכת גיבוי, שנבנתה על ידי חברה שונה מזאת שפיתחה את המערכת הראשית, זאת כדי להפחית את ההסתברות שאותה תקלה תחזור על עצמה. ארבעת אשכולות המנועים של מערכת בקרת הגישה של החללית היו בלתי תלויים אחד בשני, והיו יכולים לפעול כולם יחד או כל אחד בנפרד. מערכת הבקרה התרמית כללה גיבוי, כל המעגלים החשמליים שוכפלו, וכגיבוי לאנטנת התקשורת הראשית הותקנו שתי אנטנות קטנות יותר. הרכיב היחיד שעבורו לא ניתן היה ליצור גיבוי היה מנוע רכב הנחיתה הראשי, ובשל כך בוצעו מבחנים רבים בתנאים ריאליסטיים ככל הניתן, כדי לספק את רמת הבטיחות שנדרשה מרכיב זה.
מאז שיגור ספוטניק 1 באוקטובר 1957 הובילה תוכנית החלל הסובייטית, ומנהיגיה שאפו שברית המועצות תקדים את ארצות הברית במרוץ לחלל. למנהיגי ארצות הברית, וכן לציבור הרחב, לא היה ספק שברית המועצות תיזום תוכנית חלל מאוישת לחקר הירח במטרה לנחות עליו ולזכות ביוקרה הנלווית. ואולם, נשמעה הצהרה יחידה בלבד של מנהיג סובייטי ב-1961 בדבר כיבוש הירח, ומאז לא התגלה אף מידע נוסף בקשר לתוכנית שכזו. בעקבות זאת, מספר נציגים בקונגרס האמריקאי החלו לערער על הצורך בתקציב גדול כל כך לתוכנית. מנהלי נאס"א לעומת זאת, שחששו כי הסובייטים יגיעו לירח לפניהם, הפעילו לחץ על לוח הזמנים של התוכנית, במטרה לשגר משימה אל הירח מוקדם ככל האפשר. ישנם הטוענים שזהוי הסיבה שבגללה שוגרה אפולו 8 בסוף 1968 לטיסה סביב הירח, טיסה שלא הייתה מתוכננת בלוח הזמנים המקורי של התוכנית (פירוט בהמשך). בשנה שלאחר מכן ירד הלחץ, וביולי 1969 שוגרה אפולו 11 ונחתה על הירח. במהלך שנות ה-70 של המאה ה-20 לא נחשף אף מידע אודות תוכנית סובייטית לכיבוש הירח, ולאחר "ההתפכחות" מתוכנית אפולו כתב העיתונאי האמריקאי וולטר קרונקייט כי תוכנית אפולו הייתה מיותרת מפני ש"הסובייטים כלל לא השתתפו במרוץ". רק בסוף שנות ה-80, עם הנהגת מדיניות הגלסנוסט בברית המועצות, החל להופיע מידע אודות התוכנית הסובייטית, ועם התפרקות ברית המועצות בתחילת שנות ה-90, התפרסם מידע רב אודות התוכנית.
הסתבר, כי בתחילת שנות ה-60 של המאה ה-20 החלה תוכנית החלל המאוישת של ברית המועצות, שהובילה עד אז על פני ארצות הברית, להיכנס לקיבעון. סרגיי קורוליוב, מגדולי מהנדסי החלל הסובייטים, החל לתכנן את משגר ה-N-1 הענק, שדרש את פיתוחם של מנועים קיריוגניים שישתמשו במימן (בדומה למשגרי הסטורן). אך ולנטין גלושקו, שהיה אחראי על פיתוח מנועים לתוכנית החלל הסובייטית, סירב לפתח מנוע שכזה. ביוני 1961 ביקש מזכירו הראשי של נשיא ברית המועצות ניקיטה חרושצ'וב מ"יריבו" של קורוליוב, ולדימיר צ'לומיי, לפתח משגר חדש, הפרוטון, וחללית ירחית, ה-LK, שישמשו למשימה סביב הירח. קורוליוב בתגובה הציע להנחית אדם על הירח באמצעות חללית סויוז ונחתת L3. רק ב-3 באוגוסט 1964, 3 שנים אחרי ההכרזה על תוכנית אפולו, הורה חרושצ'וב להתחיל להוציא לפועל את התכנונים ולהצטרף למרוץ לכיבוש הירח: תוכנית זונד, שהשתמשה במשגרי פרוטון ודגמים ראשוניים של החללית סויוז לשיגור בעלי חיים למסלול סביב הירח, ותוכנית N1-L3 שיועדה להנחית קוסמונאוטים על הירח. אך עם הדחתו של חרושצ'וב מתפקיד הנשיאות וכניסתו לתפקיד של ליאוניד ברז'נייב באוקטובר אותה שנה באו עיכובים נוספים ולא הוקצו תקציבים מתאימים לתוכניות.
קורוליוב מת ב-1966, והדבר פגע קשות בתוכנית. המחסור בתקציב הוסיף לקשיים אלה, ותוכנית פיתוח ה-N-1 עמדה מול בעיות רבות (4 שיגורים כושלים בין 1969 ל-1971). כל אלה הובילו לנטישת התוכנית הסובייטית לנחיתה מאוישת על הירח ב-2 במאי 1974. עם זאת, משגר הפרוטון וחללית הסויוז הפכו להצלחה כבירה ודגמים משופרים שלהם משמשים עד היום לשיגור משימות רובוטיות ומאוישות לחלל כחלק מתוכנית החלל הרוסית.
הבדל הגדלים בין רכב הנחיתה הירחי של החללית אפולו (מימין) לנחתת ה-LK הסובייטית
תכנונים ראשונים של חללית האפולו החלו ב-1960 וכללו תא פיקוד המתאים לשלושה אנשי צוות הנתמך על ידי תא שירות המספק דלק, מערכות חשמליות ומערכות קיום חיים. בתכנונים אלו תא השירות היה יכול להיות מותאם לסוג המשימה כמו למשל משימת אספקה לתחנת חלל, משימה אל הירח ועוד. כשהפכה הנחיתה על הירח למטרה רשמית החלו תכנונים מפורטים של תא הפיקוד / שירות (בקיצור CSM), בו ישהה הצוות בכל מהלך המשימה כולל הנחיתה על הירח (שיטת ה-LOR עוד לא נבחרה אז).
הבחירה הסופית בשיטת ההיפגשות במסלול סביב הירח (LOR) גרמה לשינוי יעוד ה-CSM שהפך להיות למעין "מעבורת" שתיקח את הצוות למסלול סביב הירח כאשר חללית חדשה שתוכננה, רכב הנחיתה (ובקיצור LM), תישא שניים מאנשי הצוות אל קרקע הירח ואז חזרה אל ה-CSM, שתמתין במסלול סביב הירח, ותחזיר את הצוות כולו חזרה אל כדור הארץ.
תא הפיקוד (Command Module ובקיצור CM) היה תא הצוות, אשר הוקף בחרוט מכוסה במגיני חום. מטרתו הייתה לשאת את האסטרונאוטים מהשיגור ועד לנחיתה באוקיינוס. ככזה, הוא היה לרכיב היחיד בחללית האפולו שתכנוניו הראשוניים שרדו במהלך התוכנית ללא שינויים תצורתיים משמעותיים עם התקדמות התוכנית. תא הפיקוד כלל מנועים קטנים לתמרון, תעלת עגינה ומעבר ממנו אל רכב הנחיתה, ומערכות הנחייה, ניווט ובקרה של החללית.
לתא הפיקוד חובר תא השירות (Service Module ובקיצור SM). תא השירות, שצורתו גלילית, כלל את המנוע הראשי ואת הדלק להפעלתו, מערכות חשמל, מנועים קטנים לתמרון, אנטנה לתקשורת בתדר S לטווח רחוק, ומכלי מים וחמצן. בשלוש משימות הירח האחרונות בתוכנית אפולו נשא תא השירות גם חבילת מערכות מחקר. מפני שתצורת תא השירות נבחרה לפני בחירת שיטת ה-LOR, הוא צויד במנוע ראשי שהיה לו היכולת לשגר את תא השירות מהירח, כוח שהיה כפול מזה שנדרש לכניסה וליציאה ממסלול סביב הירח.
מפני שתא הפיקוד ותא השירות היו מחוברים אחד לשני במשך רוב המשימה שניהם יחד היו למעין "מעבורת" שנודעה כ-תא הפיקוד/שירות (Command/Service Module ובקיצור CSM) שנשאה רכב נחיתה ירחי נפרד (שמשקלו היה כמחצית ממשקל ה-CSM), ואת האסטרונאוטים חזרה לכדור הארץ. זמן קצר לפני החדירה לאטמוספירה היה תא השירות "מושלך" ורק תא הפיקוד לבדו היה חודר לאטמוספירה מוגן על ידי מגיני החום שלו, שהתפוררו במהלך החדירה. לאחר החדירה נפרשו שלושה מצנחים שהאטו את תא הפיקוד עד לנחיתה רכה באוקיינוס (המכונה "splashdown").
חברת נורת' אמריקן אוויאיישן זכתה בחוזה לבניית תאי הפיקוד והשירות, יחד עם השלב השני (S-II) של משגר הסטורן V עבור נאס"א. היחסים בין נאס"א לנורת' אמריקן אוויאיישן הפכו למתוחים במהלך החורף של שנת 1965-66 בעקבות משלוחים מאוחרים, בעיות איכות ובעיות תקציב בשני הרכיבים. היחסים הפכו למתוחים יותר כעבור שנה כאשר שריפה שפרצה בתא הפיקוד של משימת אפולו 1 גרמה למותם של שלושת אנשי הצוות. ועדת החקירה מצאה כי השריפה נגרמה בעקבות קצר חשמלי במערכות החשמל של תא הפיקוד. בעוד הטלת האחריות על האסון הייתה מסובכת, ועדת החקירה סיכמה כי "ליקויים היו קיימים בתכנון תא הפיקוד, בבנייתו ובביקורת האיכות שלו".
מערכת המילוט של החללית אפולו נועדה לנתק את תא הפיקוד של החללית מהמשגר במקרה חירום. המערכת כללה "מגדל מילוט" שהורכב בחרטום תא הפיקוד, שהיה בעצם משגר קטן מונע בדלק מוצק. אם זוהתה תקלה חמורה במשגר בעודו עומד על כן השיגור, או באמצע הנסיקה, הוצת מגדל המילוט והסיט את תא הפיקוד ממסלול המשגר וטווח הפיצוץ הצפוי שלו. המגדל היה מעלה את תא הפיקוד לגובה ממנו ניתן היה להצניח את התא; אז שוחרר התא מהמגדל וצנח לאוקיינוס האטלנטי. אם התבצע השיגור כמתוכנן, היה מגדל המילוט מושלך בגובה 56 ק"מ עם היפרדות השלב הראשון. בגובה זה היה תא הפיקוד היה בגובה מספיק כדי לאפשר לו לצנוח בבטחה במקרה חירום בכוחות עצמו, ללא צורך במגדל המילוט.
רכב הנחיתה הירחי (Lunar Module ובקיצור LM) תוכנן כך שיישא שני אסטרונאוטים ממסלול סביב הירח אל הירח וחזרה למסלול. ה-LM לא צויד במגיני חום ונבנה מחומרים קלים כך שלא היה באפשרותו לטוס באטמוספירת כדור הארץ. רכב הנחיתה היה מורכב משני שלבים: שלב נחיתה ושלב המראה. שלב הנחיתה כלל את מנוע הנחיתה ואת מערכות קיום החיים שנדרשו במשך השהייה על הירח. כמו כן הוא הכיל תאי אחסון בהם אוחסנו כלי עבודה, מערכות מדעיות שהוצבו על הירח וכן את רכב הנדידה הירחי בשלוש משימות הירח האחרונות. שלב ההמראה היה בעצם תא הצוות של רכב הנחיתה והוא הכיל את כל מערכות הבקרה והשליטה, מנוע ראשי להמראה, מנועים קטנים לתמרון ומערכות קיום חיים ששימשו רק בעת ההמראה מהירח אל תא הפיקוד/שירות. לאחר ההמראה מן הירח וההתחברות אל תא הפיקוד היה רכב הנחיתה "מושלך" ומתרסק על הירח.
חברת גראמן זכתה בחוזה לבניית רכב הנחיתה, אך עיכובים בתוכנית הניסוי של הרכב עוררו חשש שפיתוחו יעכב את תוכנית אפולו כולה. רכב הנחיתה המאויש הראשון לא היה מוכן למשימת הניסוי סביב כדור הארץ שתוכננה לדצמבר 1968, אך התוכנית נמשכה כמתוכנן על ידי ביטול טיסת המבחן המאוישת השנייה של רכב הנחיתה.
במהלך משימת אפולו 13 שימש רכב הנחיתה כ"סירת הצלה" לאחר שהתפוצצות ארעה בתא השירות והוציאה את רובו מכלל שימוש. הצוות, שעבר אל רכב הנחיתה, השתמש במערכות קיום החיים שלו כדי לשרוד, ובמנוע שלו כדי להחזיר את החללית למסלול מהיר אל כדור הארץ. במשימה זו הושלך תא השירות לפני שהושלך רכב הנחיתה.
כאשר החלה קבוצת המדענים והמהנדסים בראשותו של וורנר פון בראון לתכנן את המשגרים לתוכנית אפולו, עוד לא היה ידוע מה תהיה מסת המטען שתידרש למשימה ירחית. שימוש בשיטת הטיסה הישירה על מנת לנחות על הירח דרשה משגר גדול במיוחד - הנובה - שיוכל לשאת יותר מ-59,000 ק"ג אל הירח. החלטת נאס"א להשתמש בשיטת ה-LOR גרמה לביטול התוכנית לבניית משגר הנובה והתאימה ליכולות של משפחת משגרי הסטורן, כך שמרכז טיסות החלל מרשל המשיך בפיתוח הסטורן I, הסטורן IB והסטורן V. אף על פי שהסטורן V היה פחות עוצמתי ממשגר הנובה, הוא עדיין מחזיק בשיא כושר הנשיאה (119,000 ק"ג למסלול LEO ו-45,000 ק"ג אל הירח) מכל משגר הנמצא בפיתוח נכון ל-2012. המשגרים שיכולתם היא הקרובה ביותר ליכולות הסטורן V הם האנרגיה - משגר מעבורת החלל בוראן (100,000 ק"ג למסלול LEO) ומשגר ה-N-1 הכושל (91,000 ק"ג למסלול LEO) אשר יועד לשאת משימות סובייטיות מאוישות אל הירח.
משגר הסטורן IB היה שדרוג של המשגר הקודם - הסטורן I.[48] המשגר כלל:
שלב ראשון מסוג S-IB שכלל 8 מנועי H-1 שהונעו באמצעות RP-1 וחמצן נוזלי (LOX) והפיקו 7,100 kN דחף.
שלב שני מסוג S-IVB-200 שכלל מנוע J-2 יחיד שהונע באמצעות מימן נוזלי וחמצן נוזלי (LOX) והפיק 1,000 kN דחף.
יחידת בקרה שכללה את מערכת ההנחיה של המשגר.
הסטורן IB יכול היה לשגר למסלול LEO את ה-CSM מתודלק חלקית או את רכב הנחיתה הירחי. המשגר שימש את חמשת שיגורי המבחן הראשונים בתוכנית כולל את המשימה המאוישת הראשונה בתוכנית - אפולו 7. המשגר שיגר גם את שלוש המשימות המאוישות במסגרת תוכנית סקיילאב ואת משימת אפולו סויוז.
שלב ראשון מסוג S-IC שכלל 4 מנועי F-1 שסודרו בצורת האות X, והונעו באמצעות RP-1 וחמצן נוזלי והפיקו 33,000 kN דחף. המנועים פעלו 2.5 דקות והאיצו את החללית למהירות של כ-2.68 ק"מ לשנייה (9,648 קמ"ש).
שלב שני מסוג S-II שכלל חמישה מנועי J-2 ששימשו את שלב ה-S-IVB של משגר הסטורן IB. מנועים אלו פעלו כ-6 דקות והביאו את החללית למהירות של כ-6.84 ק"מ לשנייה (24,624 קמ"ש) ולגובה של כ-185 ק"מ.
שלב שלישי מסוג S-IVB-500 שדמה לשלב השני של משגר הסטורן IB אך עם היכולת לכבות ולהפעיל את מנוע ה-J-2. המנוע היה פועל כ-2.5 דקות ונכבה כאשר החללית הייתה נכנסת למסלול חנייה במסלול LEO. לאחר כשתי הקפות סביב כדור הארץ, לאחר שנבדק ואושר כי החללית כשירה לטיסה אל הירח, היה המנוע מופעל שוב ומכניס את החללית למסלול מעבר אל הירח - כלומר מסלול כה גבוה סביב כדור הארץ, שהחללית מושפעת יותר מכח הכבידה של הירח ונכנסת למסלול סביבו.
יחידת בקרה שכללה את מערכת ההנחיה של המשגר (דומה ליחידה ששימשה את הסטורן IB).
הסטורן V שוגר שלוש פעמים למסלול סביב כדור הארץ. שניים מהם (אפולו 4 ואפולו 6) היו טיסות לא מאוישות של ה-CSM, והשלישית (אפולו 9) הייתה משימה מאוישת בה נבחן רכב הנחיה הירחי. המשגר שימש לשיגור 9 המשימות המאוישות אל עבר הירח, כולל משימת וגם את השיגור הלא מאויש של תחנת החלל סקיילאב (המשגר ששימש לשיגור סקיילאב נקרא סטורן INT-21).
עבור תוכנית אפולו תוכננו מערכות וכלים שמטרתם הייתה לסייע לאסטרונאוטים בירח, וכן מערכות מדעיות שונות שהוצבו על הירח במהלך המשימות. המערכות המוכרות ביותר מהתוכנית הן:
רכב הנדידה הירחי (LRV) היה רכב חשמלי בעל 4 גלגלים ששימש את שלושת משימות הנחיתה האחרונות על הירח. הרכב תוכנן לנסוע במהירויות של עד 13 קמ"ש ולשאת את האסטרונאוטים על ציודם למרחק של קילומטרים ספורים מאתר הנחיתה. המרחק הרב ביותר מרכב הנחיתה היה 7.6 ק"מ במהלך משימת אפולו 17, אז גם נשבר שיא המהירות של ה-LRV: 18.9 קמ"ש. הרובר תוכנן על ידי מרכז טיסות החלל מרשל ונבנה על ידי חברת דלקו אלקטרוניקס.
ה-ALSEP הייתה ערכה של מערכות מדעיות שהוצבה על ידי האסטרונאוטים על יד אתר הנחיתה החל ממשימת אפולו 12. הערכה קיבלה כוח חשמלי ממערכת RTG (מערכת המפיקה אנרגיה חשמלית מהתפרקות רדיואקטיבית של פלוטוניום) וכללה בין 4 ל-7 כלים מדעיים מסוגים שונים ובעלי מספר מטרות. הערכות המשיכו לשדר מידע לכדור הארץ גם לאחר עזיבת המשימה, והקשר האחרון עם ערכת ALSEP התקיים ב-1977.
חליפות חלל מדגם A7L שימשו את האסטרונאוטים של תוכנית אפולו בעת הפעילות החוץ רכבית על קרקע הירח. החליפה שקלה 111 ק"ג על כדור הארץ (כ-18.5 ק"ג על הירח) ויכולה הייתה לתמוך באסטרונאוטים לפרקי זמן ממושכים מאוד (מעל ל-7 שעות) בכל יציאה אל קרקע הירח.
ב-6 המשימות בהם נחתו על הירח תוכננה הנחיתה לתחילת היום הירחי (שנמשך 28 ימי ארץ). יתרונות הנחיתה ביום היו אור השמש (שהייתה בין 10 ל-15 מעלות מעל לאופק) והטמפרטורות הפחות קיצוניות (ביחס ללילה): בין 0 ל-130 מעלות צלזיוס. מכיוון שכך, חלון השיגור של משימת אפולו שיועדה לנחות על הירח נפתח פעם בחודש למשך יום אחד.
אתרי הנחיתה נבחרו תמיד בצידו הנראה של הירח, כדי שניתן יהיה לתקשר עם כדור הארץ, וקרוב ככל הניתן לקו המשווה הירחי, כדי להקטין את כמות הדלק שתידרש לשם ההמראה ושינוי נטיית המסלול.
כל המשימות אל הירח שוגרו מ-LC-39 שבמרכז החלל קנדי, פלורידה. שיגור הסטורן V, ששקל 2,800 טון, היה מחזה מרהיב עין, ואנשים רבים התכנסו באתרי התצפית כדי לחזות בשיגור. 5 מנועי השלב הראשון הופעלו בבת אחת, ושרפו יחד כ־14 טונות דלק בכל שנייה. לאחר הצתת המנועים והתייצבות הדחף ברמה המקסימלית נותקו צינורות וגשרים של מגדל השיגור, והמשגר התחיל מתרומם באטיות: נדרשו לו 10 שניות לפנות את מגדל השיגור. 2.5 דקות לאחר ההתרוממות המשגר, כשהוא בגובה 56 ק"מ ובמהירות של כ-9,750 קמ"ש, הושלך השלב הראשון. רגעים ספורים אחר כך הוצתו רקטות האצה קטנות לשיקוע ההודפים לתחתית המכלים, ולאחריהם מנועי השלב השני. הושלך המתאם המחבר את שני השלבים הראשונים, ומגדל המילוט נורה (החללית הייתה גבוהה כדי הצורך לצניחת חרום). השלב השני כובה והושלך כאשר המשגר הגיע למהירות כ־24,680 קמ"ש ולגובה 185 ק"מ. עם השלכת השלב השני הוצת מנוע השלב השלישי למשך 140 שניות והכניס את שארית המשגר והחללית למסלול מעגלי (LEO) בגובה 187 ק"מ. הכניסה למסלול אירעה כ-11 דקות לאחר השיגור.
לאחר הכניסה למסלול נבדקו כל מערכות החללית לקראת הטיסה אל הירח, ואם היו מתגלות בעיות היה ניתן לנחות חזרה בכדור הארץ. לאחר הקפה וחצי סביב כדור הארץ (כשעתיים ורבע) הופעל מנוע השלב השלישי בפעם השנייה ל-335 שניות והאיץ את החללית למהירות מילוט מכדור הארץ - 40,320 קמ"ש, כך שהחללית הוכנסה למסלול מעבר ירחי. כחצי שעה לאחר הכניסה למסלול המעבר ניתק ה-CSM מהשלב השלישי, התקדם מעט, ביצע סיבוב של 180° כך שחרטום תא הפיקוד הופנה כלפי שארית המשגר ומתאם החללית הירחית (שבתוכו היה ה-LM), התקדם אל ה-LM ולבסוף עגן בו (הפעולות בוצעו על ידי טייס תא הפיקוד). לאחר שאושרה העגינה ניתקה חללית האפולו בשלמותה מהשלב השלישי. השלב השלישי כוון ממרכז הבקרה או למסלול סביב השמש או להתרסקות על הירח.
במהלך 70 שעות הטיסה אל הירח בוצעו תיקוני מסלול כדי להביא למקסימום את יעילות צריכת הדלק בעת הכניסה למסלול סביב הירח ובעת הנחיתה. תיקוני המסלול הפחיתו את צריכת הדלק לשם הכניסה למסלול ב-5% מכמות הדלק שהייתה נדרשת אילולא בוצעו. במהלך המסע החללית הסתובבה כל הזמן באיטיות סביב צירה המרכזי כדי למנוע התחממות יתר של אחד מצידי החללית.
עם ההתקרבות לירח הופעל המנוע הראשי של תא השירות והאט את מהירות החללית על מנת שתילכד בשדה הכבידה של הירח. אם הייתה תקלה במנוע, מסלול המעבר הירחי איפשר את חזרתה של החללית לכדור הארץ ב"טיסה חופשית" ללא שום צורך בהפעלת מנוע. אפשרות ה"טיסה החופשית" אכן שימשה את אפולו 13 שתא השירות שלה שותק. זמן מה לאחר מכן הופעל המנוע שוב והכניס את החללית למסלול מעגלי בגובה 110 ק"מ מעל לירח.
שלב זה כונה בטרמינולוגיית נאס"א בראשי התיבות DOI - Descent Orbit Insertion.
בשלב זה של המשימה הונמך מסלול רכב הנחיתה מ-110 ק"מ ל-15 ק"מ בלבד מעל לירח, תוך הפיכת המסלול המעגלי למסלול אליפטי (110 × 15 ק"מ). הנמכת המסלול איפשרה לרכב הנחיתה לנחות על הירח תוך שימוש בכמות המינימלית האפשרית של דלק. גבול ה-15 ק"מ נבחר כדי שבעת נחיתת ה-LM לא היה חשש שיאזל הדלק.
עד לאפולו 12 בוצע התמרון באופן הבא: מפקד המשימה וטייס רכב הנחיתה נכנסו אל רכב הנחיתה וסגרו את הצוהר מאחוריהם, בעוד טייס תא הפיקוד נשאר בתא הפיקוד, בו הוא צפוי לחכות לחבריו שיחזרו מהירח. לאחר אתחול מערכות רכב הנחיתה ובחינת מערכותיו, ניתק ה-LM מה-CSM והחל להתרחק ממנו. כשהיה במרחק של כמה מאות מטרים (וכחצי הקפה מההיפרדות) הופעל מנוע ה-LM והמסלול שונה.
החל מאפולו 14 בוצע התמרון על ידי המנוע הראשי של ה-CSM, לפני שה-LM נפרד ממנו, כלומר ה-CSM שינה גם הוא את מסלולו, וכך נחסכה כמות גדולה של דלק מה-LM. במשימות אלו ה-LM נפרד רק לפני תחילת שלב ההנמכה הממונעת.
שלב זה כונה בטרמינולוגיית נאס"א בראשי התיבות PDI - Powered Descent Initiation
השלב החל כשרכב הנחיתה הגיע לנקודה הנמוכה ביותר במסלולו האליפטי (הפרילון - 15 ק"מ), אז הופעל מנועו הראשי. שלב זה התחלק לשלושה תתי-שלבים: בלימה, גישה (התיישרות) ונחיתה.
מטרת שלב הבלימה היא האטת מהירות ה-LM בצורה משמעותית: מ־5,000 קמ"ש ל־550 קמ"ש. בתחילה מופעל המנוע ב-10% מעוצמתו למשך 26 שניות ואז מועבר למלוא העוצמה. כתוצאה מההאטה מתחיל רכב הנחיתה להתיישר (בגלל מיקום מרכז מסתו) ומהירות ההנמכה עולה מ-0 מטרים לשנייה ל-45 מטרים לשנייה. כאשר ה-LM מגיע לגובה של כ-12 עד 15 ק"מ מהקרקע, המכ"ם שלו "מאתר" את הקרקע ומתחיל לספק נתוני גובה ומהירות לשם וידוא נתיב הנחיתה. לפני הפעלת המכ"ם חושבו הגובה והמהירות באמצעות מערכת האינרציה בלבד. אם הנתונים הצביעו על סטייה משמעותית מנתיב הנחיתה המתוכנן הייתה המשימה מתבטלת. שלב הבלימה נמשך כ־6 דקות ו־25 שניות והסתיים כ־60 שניות לפני ההגעה מעל אתר הנחיתה
שלב הגישה מתחיל כאשר רכב הנחיתה נמצא בגובה של כ-210 מטרים מעל לקרקע ובמרחק של כ-8 ק"מ מאתר הנחיתה. מטרת השלב היא לאפשר לטייס לראות את אתר הנחיתה ולבחור מקום נחיתה מדויק. השלב מתחיל במצב המכונה "high gate" (שער עליון), ביטוי שהושאל מענף התעופה. במהלך שלב הגישה מיושר רכב הנחיתה על מנת שהטייס יוכל לראות את הקרקע בצורה נוחה דרך חלונות הרכב. במהלך הנחיתה מורה המחשב לטייס לאיזו זווית עליו לכוון את הרכב כדי שהוא יראה את אתר הנחיתה דרך סקלה (LPD - Landing Point Designator) שסורטטה על חלון הרכב. אם הטייס מחליט שאתר הנחיתה לא ראוי או שהרכב סטה מנתיב הנחיתה המתוכנן באפשרותו להורות למחשב לשנות את זווית הגישה. במהלך שלב הגישה הונמך גובה הרכב מ-210 מטרים ל-150 מטרים ("low gate") והמרחק לנקודת הנחיתה הצטמצם לכ-600 מטרים.
שלב הנחיתה על הירח - כשרכב הנחיתה נמצא בגובה 150 מטרים מעל לקרקע ובמרחק של כ-600 מטרים מנקודת הנחיתה שנבחרה על ידי הטייס, מתחיל שלב הנחיתה. אם נתיב הנחיתה נעקב כראוי, מהירות הרכב הייתה 66 קמ"ש אופקית ו-18 קמ"ש אנכית. את הנחיתה יכול היה מחשב הרכב לבצע אוטומטית, אך לטייס הייתה האפשרות לקחת שליטה מלאה על הרכב. אם נלקחו בחשבון עיכובים שונים, לטייס נותרו 32 שניות בלבד להביא את הרכב לנחיתה לפני שהדלק היה אוזל והנחיתה הייתה מתבטלת אוטומטית. בגובה 1.3 מטרים מעל לקרקע נגעו גששים קטנים (שנפרשו מכני הנחיתה) בקרקע והתריעו על כך לטייס, שכיבה מיד את המנוע כדי למנוע מהרכב מלקפץ או להתהפך.
במהלך השהייה על הירח ביצעו האסטרונאוטים פעילות חוץ רכבית (EVA) שכונתה גם "הליכת ירח". במשימת אפולו 11 בוצעה הליכת ירח יחידה ואילו במשימת אפולו 17 בוצעו 3 הליכות. לפני היציאה לירח מילאו האסטרונאוטים את מכלי החמצן והמים הניידים שלהם, לבשו את חליפות החלל ורוקנו את פנים רכב הנחיתה מאוויר. לאחר מכן פתחו האסטרונאוטים את פתח הרכב שהוביל לסולם שירד אל הקרקע.
לאחר הירידה אל הקרקע החלו האסטרונאוטים לפרוק את תא המטען של רכב הנחיתה (שהיה חלק משלב הנחיתה של הרכב והיה נגיש רק מבחוץ) בו היו המערכות אותם היה עליהם להציב בירח וכלי עבודה. החל ממשימת אפולו 15 נשא רכב הנחיתה גם את רכב הנדידה הירחי, איתו יכלו האסטרונאוטים להתרחק לתור אזורים רחוקים מרכב הנחיתה.
במהלך הפעילות החוץ רכבית הציבו האסטרונאוטים מערכות מדעיות שונות על הירח ואספו דוגמאות קרקע אותן החזירו לכדור הארץ. בין פעילות לפעילות חזרו האסטרונאוטים אל הרכב שם יכלו להוריד את חליפות החלל (לאחר דיחוס פנים הרכב שהיה מרוקן מאוויר), לאכול ולנוח. לאחר הפעילות האחרונה ננטשו על הירח כלי עבודה וחפצים נוספים שלא נדרשו להחזרה לכדור הארץ על הירח, כדי להקל על ה-LM בעת ההמראה. החל מאפולו 15 הורחק רכב הנדידה הירחי מרכב הנחיתה ומצלמותיו כוונו אליו כדי שיצלם את ההמראה.
ההמראה מן הירח נועדה לאפשר את עגינת רכב הנחיתה הירחי עם תאי הפיקוד והשירות שנותרו במסלול סביב הירח, על מנת שהצוות יוכל לחזור לכדור הארץ. ההמראה והעגינה נעשתה בשני שלבים: קודם המריא שלב ההמראה של רכב הנחיתה (בהשאירו את שלב הנחיתה על הירח) ונכנס למסלול סביב הירח, ולאחר הכניסה למסלול נעזר במנועי הגישה שלו כדי להתקרב אל ה-CSM ולעגון בו.
לפני ההמראה הוזנו נתוני מיקומו המדויק של ה-LM למחשב כדי שההמראה תבוצע בצורה המדויקת ביותר. רגע ההמראה נקבע כך שהכניסה למסלול תבוצע כאשר ה-CSM נמצא קרוב לנתיב ה-LM. שלב הנחיתה של ה-LM נשאר על הירח ומשמש ככן שיגור עבור שלב ההמראה. השלבים נפרדים רגעים ספורים לפני ההמראה על ידי נפצים קטנים.
שלב ההמראה ממריא במסלול אנכי עד לגובה 75 מטרים אז מתחיל המסלול להתאזן באיטיות עד הכניסה למסלול אליפטי בגובה 15 עד 67 ק"מ.
לאחר הכניסה למסלול נפגשים ה-LM וה-CSM (המוטס על ידי האסטרונאוט השלישי) ועוגנים אחד בשני. לאחר שדוגמאות הקרקע מהירח, סרטי הצילום והצוות עברו אל תא הפיקוד, שוחרר ה-LM והוכנס למסלול התרסקות בירח. לאחר מכן יכול היה ה-CSM להתחיל במסע חזרה לכדור הארץ (במשימות אפולו 15, 16 ו-17 נשאר ה-CSM יום נוסף במסלול סביב הירח, והצוות ביצע ניסויים מדעיים ושיחרר לוויין מחקר קטן למסלול סביב הירח).
על מנת לעזוב את מסלול הירח הופעל מנוע תא השירות למשך 2.5 דקות שהקנו לחללית ΔV (רכיב מהירות) של כ-1,000 מטרים לשנייה. שלב זה היה אחד השלבים הקריטיים במשימה, כי כשל במנוע או טעות בכיוון החללית היו עלולים לחרוץ את גורל הצוות. החללית לא כוונה ישירות אל כדור הארץ אלא אל המשך מסלולו, שהרי במשך המסע בן שלושת הימים של החללית, התקדם כדור הארץ במסלולו סביב השמש. החללית מוכנסת למסלול המתוכנן להביא אותה, לאחר שלושה ימים, לחלוף בגובה 40 ק"מ מעל פני כדור הארץ.
במהלך שלושת ימי המסע לכדור הארץ בוצעה הליכת חלל או עמידת חלל (בה רק פלג הגוף העליון יוצא מהחללית) במהלכה נאספו סרטי הצילום ממצלמות תא השירות. כמו כן בוצעו תיקוני מסלול קטנים כדי להביא למקסימום את זווית החדירה לאטמוספירה כך שהנחיתה תבוצע במקום בו המתינו צוותי החילוץ. ככל שהתקרבה החללית לכדור הארץ כך גדלה מהירותה, מ-850 מטר לשנייה עד ל-11 ק"מ לשנייה בתחילת החדירה לשכבות העליונות של האטמוספירה, שאת השפעותיה היה אפשר לחוש כבר בגובה 120 ק"מ (בגלל מהירותה העצומה של החללית). זמן קצר לפני החדירה לאטמוספירה הושלך תא השירות יחד עם המנוע הראשי, ומרבית מקורות החמצן והחשמל. החדירה לאטמוספירה בוצעה בזווית מדויקת של 6.5° עם אפשרות לסטייה של מעלה אחת בלבד. בזווית חדירה גדולה יותר היה תא הפיקוד עלול להתחמם לטמפרטורות גבוהות מ-3,000° צלזיוס, טמפרטורות שמגן החום אינו יכול לעמוד בהן, ותא הפיקוד עלול היה להישרף. מעבר לכך, בזווית כזו תאוטת החללית תהיה גדולה מדי, סיכון חמור נוסף לחיי הצוות. מאידך, אם זווית החדירה תהיה קטנה מדי, עלולה החללית ל"קפץ" על פני האטמוספירה - לפגוע בה ולהיזרק חזרה לחלל. במצב כזה החללית הייתה נכנסת למסלול אליפטי גבוה מאוד, ממנו לא הייתה יכולה להיחלץ בשל חוסר יכולת תמרון. מקורות החמצן והחשמל המצומצמים שיהיו לחללית בשלב זה יחרצו את גורל הצוות למוות.
לאחר האטה בעומס 4 G איבדה החללית את רוב מהירותה האופקית והמשיכה ליפול אנכית. בגובה 7 ק"מ נפרשו שני מצנחים שייצבו את החללית והאטו אותה מ-480 ל-280 מטר לשנייה. מצנחים אלה הושלכו בגובה 3 ק"מ, ובמקומם נפתחו לצדדים שלושה מצנחים קטנים, שפרשו את שלושת המצנחים הראשיים (הדבר נעשה כדי למנוע את הסתבכות המצנחים). תא הפיקוד פגע בפני האוקיינוס במהירות של כ-35 קמ"ש. מיד עם הפגיעה במים נותקו שלושת המצנחים הראשיים ושלושה בלונים התנפחו בחרטום התא כדי למנוע את שקיעתו במים. צי שכלל נושאת מטוסים המתין לחללית בקרבת אתר הנחיתה ומסוקים ומטוסים ריחפו מעליו ותרו אחר החללית. עם פגיעת החללית במים זינקו צוותי צוללנים בסירות גומי אל התא וחילצו את האסטרונאוטים, שהוטסו במסוק אל נושאת המטוסים. גם תא הפיקוד הועלה לסיפון נושאת המטוסים.
תוכנית מרקורי, שהחלה ב1959, הייתה תוכנית החלל הראשונה של ארצות הברית, שנועדה לשגר אדם למסלול סביב כדור הארץ ולהקדים את ברית המועצות בהשגת יעד זה. התוכנית השיגה את היעד הראשון, אך נכשלה בשני; ב-12 באפריל 1961 שיגרה ברית המועצות את משימת ווסטוק 1, ועליה הקוסמונאוט יורי גגארין, שהיה האדם הראשון בחלל. רק ב-5 במאי 1962 הצליחה ארצות הברית לשגר את האסטרונאוט האמריקאי הראשון, אלן שפרד, למסלול סביב כדור הארץ. שלוש טיסות מסלוליות נוספות במסגרת התוכנית בוצעו במהלך 1962 ו-1963.
ארצות הברית צברה ניסיון רב בתוכנית מרקורי, אך עם סיומה נותרו היבטים רבים בתחום תעופת החלל אשר היה צורך ליישמם בטיסות אל הירח, שלא פותחו ולא נבחנו. על כן הציגה נאס"א תוכנית חלל מאוישת שמטרתה הייתה לפתח היבטים אלו לפני שיושלמו המערכות שתוכננו לשימוש בתוכנית אפולו ולמשימות אל הירח. לתוכנית, שנקראה ג'מיני, הוצבו שלושה יעדים:
1.שליטה בטכניקות הניווט, ההיפגשות והעגינה בחלל;
2.פיתוח יכולות עבודה מחוץ לחללית (פעילות חוץ רכבית);
3.חקירת השפעת השהייה הממושכת של האדם בחלל;
חללית הג'מיני תוכננה במקור כשדרוג של חללית המרקורי, אך הפכה לחללית שונה ומתקדמת בהרבה ממנה. משקלה של ג'מיני היה יותר מפי 3 מזה של מרקורי, והיא נשאה שני אנשי צוות. ג'מיני הייתה יכולה לשהות בחלל במשך שבועיים תמימים, ניתן היה לצאת ממנה להליכות חלל, והייתה לה יכולת לעגון בחלליות מסוג אגנה. החללית שוגרה על גבי טיל בליסטי מדגם טיטן 2 של חיל האוויר האמריקאי, שהוסב למשגר. המשימה המאוישת הראשונה בתוכנית, ג'מיני 3, שוגרה בהצלחה ב-23 במרץ 1965, ואחריה שוגרו עוד 9 משימות מאוישות נוספות, במהלכן בוצעו הליכות חלל (כולל הליכת החלל האמריקאית הראשונה), וכן מפגשים ועגינות בין חלליות בחלל (הראשונים מסוגם בתולדות תעופת החלל). משימת ג'מיני 7 ששוגרה בדצמבר 1965 (ונפגשה עם ג'מיני 6A) נמשכה 14 יום ודימתה משימה אל הירח ובחזרה כולל שהייה על הירח (מבחינת משך הזמן).
במהלך פיתוח תוכנית אפולו הפעילה נאס"א מספר תוכניות לא מאוישות לחקר הירח, שמטרתן הייתה לאסוף מידע רב ככל הניתן על הסביבה הירחית. מידע זה היה הכרחי לתכנון רכב הנחיתה ולבחירת אתרי נחיתה מתאימים עבורם.
בין 1961 ל-1965 שוגרו מספר גשושיות, במסגרת תוכנית ריינג'ר. מטרת הגשושיות הייתה להתרסק על הירח תוך כדי צילום הקרקע ההולכת ומתקרבת. ריינג'ר 7 הייתה הראשונה שהצליחה להשלים את משימתה, ואחריה שוגרו שתי משימות מוצלחות נוספות (ריינג'ר 8 ו-9). תוכנית לונר אורביטר כללה 5 מקפות ששוגרו אל הירח בין 1966 ל-1967 ומיפו 99% מפניו. כמו כן הן מדדו את רמות הקרינה הקוסמית סביב הירח ואת צפיפות המיקרומטאוריטים סביבו, וסייעו לבחון את מערכות התקשורת שתוכננו לשימוש בחלליות האפולו. תוכנית סרוויור כללה 7 נחתות ש-5 מהן נחתו נחיתה רכה על הירח בין 1966 ל-1968 ושידרו נתונים על צפיפות הקרקע. נחיתות אלה סייעו גם בבחינת טכניקת הנחיתה הממונעת על הירח.
הסטורן I (או סטורן C-1) תוכנן לפני שמפרט משימות האפולו היה ידוע. כאשר סוכם המפרט התברר שהמשגר אינו חזק די הצורך. עם זאת, 10 משגרי סטורן I נבנו ושגרו בהצלחה מלאה בין 1961 ל-1965. חמש המשימות הראשונות (SA-1 עד 5) היו משימות פיתוח, שתי משימות נוספות (A-101 ו-A-102) נשאו דגמים של החללית אפולו לחלל ושלוש משימות נוספות (A-103 עד 105) היו חלק מפרויקט פגאסוס. חלק מהטכנולוגיה ששימשה בבניית הסטורן I שימשה לאחר מכן לפיתוח ובניית סטורן IB וסטורן V.
סטורן IB
טיסות הסטורן IB נועדו לבחון את רכיבי השלב השלישי של הסטורן V ואת פעילות רכיבי חללית האפולו בחלל.
AS-201 (באופן לא רשמי אפולו 1A) (26 בפברואר 1966); משימה לא מאוישת וראשונה של הסטורן IB. המשגר נשא בחרטומו לראשונה חללית אפולו אמיתית (ולא דגם) לגובה 450 ק"מ (לא למסלול). במשימה נבחנו שלב ה-S-IVB שיועד לשמש גם את הסטורן V, המנוע הראשי של חללית האפולו, ומגן החום של תא הפיקוד של החללית בעת החדירה לאטמוספירה.
AS-203 (באופן לא רשמי אפולו 3) (5 ביולי 1966); משימה לא מאוישת לבחינת התנהגותם של מימן וחמצן נוזלי (דלק שלב ה-S-IVB) במסלול סביב כדור הארץ. המשימה הושלמה בהצלחה.
AS-202 (באופן לא רשמי אפולו 2) (25 באוגוסט 1966); משימה לא מאוישת. משגר הסטורן IB נשא חללית אפולו למסלול בליסטי ארוך שהקיף כשלושה רבעים מכדור הארץ. מטרת המשימה הייתה, בדומה למשימת AS-201, לבחון את מערכות חללית האפולו, אך לזמן ממושך יותר. עם זאת, בשונה מהחללית שנשאה משימת AS-201, במשימה זו נישאה חללית (חללית מס' 11) שהייתה מותאמת כמעט לחלוטין לשיגור צוות. במהלך המשימה הופעל מנועה הראשי של החללית 4 פעמים ונבחנו יכולת החדירה לאטמוספירה.
אפולו 1 (שמה הרשמי באותה עת היה AS-204) הייתה מיועדת להיות המשימה המאוישת הראשונה בתוכנית אפולו, והיא תוכננה לשיגור ב-21 בפברואר 1967. לרוע המזל, ב-27 בינואר 1967, בעת אימון בתוך תא הפיקוד, פרצה שריפה ושלושת אנשי הצוות: וירג'יל גריסום, אדוארד ווייט ורוג'ר צ'אפי, נספו. הוועדה שחקרה את האסון מצאה כשלים רבים בחללית האפולו, אותם דרשה לתקן לפני שיגור המשימה הבאה. בין הכשלים היו הרכב האטמוספירה בתוך החללית, שהיה 100% חמצן, דבר המגביר את הסיכויים לפריצת שריפה אפילו מניצוץ קטן, והמערכת המסובכת של דלת תא הפיקוד, שלא איפשרה לצוות להימלט ממנו כשפרצה השריפה.
בעקבות ממצאי ועדת החקירה, הורתה נאס"א לחברת נורת' אמריקן אוויאיישן, יצרנית ה-CSM, לבצע שינויים נרחבים בחללית האפולו. בין השינויים היו החלפת הפתח בפתח שהיה ניתן לפתיחה תוך 10 שניות בלבד, שינוי אטמוספירת החללית לתשלובת של חמצן וחנקן, והחלפת רכיבים חשמליים רבים וכיסויים בצורה בטוחה, כך שלא יגרמו לניצוצות.
האסון הביא לדחיית המשימה המאוישת הראשונה (אפולו 7) בכ-20 חודשים לאוקטובר 1968.
