“月球轨道环行器1”号、“月球轨道环行器2”号、“月球轨道环行器3”号的任务是在围绕月球“赤道”的低轨道飞行。其中“月球轨道环行器2”号的轨道最低时达到距离月面394米的高度，它用广角照相机拍摄到了许多清晰可见的月面照片，这些照片有许多至今还被完好无损地保存着。3个环行器共对40多个预选着陆区进行了拍摄，获得了1000多张高清晰度的月面照片，美国据此选出约10个候选登月点。
美国月球轨道环行器
由于前3个“月球轨道环行器”高质量地完成了任务，已研制成的“月球轨道环行器4”号、“月球轨道环行器5”号只好“另谋高就”，改为执行别的任务。它们在绕月球极轨道上飞行，拍摄更大面积的月球表面照片，并监视近月空间的微流星体和电离辐射。5个轨道环行器在1年时间里，对月面上99％的地区进行了探测，拍摄了大量高分辨率的照片，获得了月球表面的放射性和矿物含量等大量资料以及有关月球引力场等数据。最后，5个“月球轨道环行器”撞在月面上“以身殉国”。
有了“徘徊者”号、“勘测者”号和月球轨道环行器获得的这些月球情报以及1965～1966年10次“双子星座”号载人飞船飞行获得的经验，美国载人登月行动已是箭在弦上，顷刻即发。
“阿波罗”登月计划
在人类对宇宙不懈探索的历史上，20世纪六七十年代由美国实施的“阿波罗”登月计划无疑是其中壮丽的一笔。这次登月活动从1961年5月25日美国总统肯尼迪正式宣布实施开始，一直持续到1972年12月底“阿波罗”计划结束，历时11年，总投资250亿美元，共实施了7次登月飞行，“阿波罗11”号机组成员
（从左至右分别是阿姆斯特朗、科林斯和奥尔德林）除“阿波罗13”号飞船出现故障而失败外，其余6次都成功地实现了登月飞行，共有12名航天员实现了登月，他们在月面总共停留302小时20分钟，在月面活动共80小时32分钟，航天员在月面上累计活动行程逾90千米，共收集和带回月球土壤和岩石样品381千克。1969年7月16日，“阿波罗11”号宇宙飞船，搭载3名航天员首次实现了登月活动。飞船指令长阿姆斯特朗自登月舱扶梯走下来，踏上月球表面时，虽然只是一小步，却代表了人类在太空探险的领域上向前迈了一大步！
前苏联的载人登月计划其实不比美国晚，可是其运载火箭不可靠，接连发生了几次灾难性的失败。美国率先登上了月球后，结局已定，前苏联最终放弃了登月，转而研发空间站技术。
运载“阿波罗”飞船的火箭
航天活动一向是运载先行，在登月方案酝酿前，从1957年起，美国就在著名火箭专家冯·布劳恩的领导之下，开始了大型火箭的研制。“阿波罗”工程共研制了3种运载火箭：“土星1”号、“土星1”号B和“土星5”号。“土星1”号是初级火箭，仅用于试验，以便为巨型火箭的研制提供经验。这种火箭共制造了10枚，分为2组。第一组4枚，仪试验第一级，上面加配重；第二组6枚，试验第一、二级。它总共进行了10次飞行试验，均获得了成功。其中第6次和第7次试验了“阿波罗”号飞船的样件，最后3次用于发射人造地球卫星。
“土星1”号火箭的第一级S—1由8个圆柱形贮箱段捆绑而成，长244米，用8台推力为8335千牛的H—1发动机，推进剂为液氧和煤油，在尾段外面装有8个稳定尾翼。第二级S—4用6台RL—10液氧液氢发动机，每台推力为667千牛。第二级上面是过渡段，内装制导和控制系统。火箭全长385米（不包括有效载荷），直径655米，起飞质量约508吨，起飞推力6668千牛。
“土星1”号B也是两级火箭。第一级S—1B与“土星1”号火箭的第一级相同，但改进了制造方法，质量明显减轻，H—1发动机的性能也得到改善，总推力提高到7297千牛。第二级矗立在肯尼迪航天中心的“土星5”号火箭S—4B改用一台大推力的J—2液氧液氢发动机，推力高达1000千牛，工作时间约450秒。第二级上面“土星5”号火箭是仪器舱，高1米，直径655米，内装自主式制导系统、控制系统和各种仪表。火箭全长44米，直径655米，起飞质量约587吨。火箭的低轨道运载能力达18吨。“土星1”号B火箭曾用于“阿波罗”号飞船某些分系统的试验，如指挥舱再人防热试验、登月舱推进系统试验、指挥舱和服务舱的载人飞行试验等。
承担把“阿波罗”号飞船送上月球这一光荣而艰巨使命的是“土星5”号巨型运载火箭。它全长1106米，约相当于40层楼那么高，起飞质量2930吨，是迄今为止飞离地球的最重的物体。这种火箭在今天看来仍然是“神力无敌”，它能把重127吨的有效载荷送上地球低轨道，或是把488吨重的飞船送上奔赴月球的逃逸轨道。“土星5”号是一种三级液体火箭，由S—1C第一级、S—2第二级、S—4B第三级、仪器舱和有效载荷组成。第一级长42米，直径10米，到尾段底部直径增大到13米。尾段上装有4个稳定尾翼，翼展约18米。采用5台F—1发动机，推进剂为液氧和煤油，总推力达33350千牛。第二级长25米，直径10米，采用液氧液氢推进剂，共用5台J—2发动机，真空总推力达5109千牛。第三级采用“土星1”号B火箭的第二级，仪器舱也和“土星1”号B的相同。
在完成登月任务后，“土星5”号火箭退役了，如今它的模型静静地躺在博物馆中，享受着世界第一的殊荣。
智慧的结晶——“阿波罗”号飞船
美国的载人登月工程被称为“阿波罗”工程。在希腊神话中，“阿波罗”是太阳神的名字，他是智慧的化身，也是月亮女神的哥哥，哥哥去探望妹妹是天经地义的事情，让飞船拥有太阳神的智慧更是美国人最美好的愿望。而此后“阿波罗”号飞船的表现也证明了它是人类智慧的结晶。
“阿波罗”号飞船身形高大，总高25米，直径10米，重约45吨，由指挥舱、服务舱和登月舱3部分组成，最多能乘坐3名航天员。
指挥舱是航天员在飞行途中生活和工作的座舱，也是整个飞船的控制中心。该舱为圆锥体，高32米，重约6吨。指挥舱壳体结构分为3层：内层为铝合金蜂窝夹层结构，中层为不锈钢蜂窝夹层隔热层，外层为环氧一酚醛树脂烧蚀防热层。舱内充以343千帕压强的纯氧，温度保持在21摄氏度～24摄氏度。整个指挥舱分前舱、乘员舱和后舱3部分。前舱内放置着陆部件、回收设备和姿态控制发动机等。乘员舱为密封舱，存有供航天员生活14天的必需品和救生设备。后舱内装有10台姿态控制发动机及各种仪器和燃料箱，还有姿态控制、制导导航系统以及船载计算机和无线电分系统。
服务舱的前端与指挥舱对接，后端有推进系统主发动机喷管。舱体为圆筒形，高67米，直径4米，重约25吨。服务舱采用轻金属蜂窝结构，周围分为6个隔舱，容纳主发动机、推进剂贮箱和增压、姿态控制、电气等系统。主发动机推力达956千牛，由计算机控制，用于轨道转移和变轨机动。姿态控制系统由16台火箭发动机组成，除用于姿态控制外，还用于飞船与第三级火箭分离、登月舱与指挥舱对接和指挥舱与服务舱分离等。
登月舱由下降级和上升级组成，从地面起飞时重147吨，宽43米，最大高度约7米。下降级由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。着陆发动机推力可在467～467千牛内调节，发动机摆动范围为6度。着陆腿末端有底盘，上面装有触地传感器。下降级内还装有着陆交会雷达和4组容量为400安时的银锌蓄电池。上升级为登月舱主体。航天员完成月面活动后即驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。上升级由航天员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成。座舱可容纳2名航天员，有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备。座舱前方有舱门，门口小平台外接登月小梯。返回发动机推力为156千牛（不可调），可重复启动35次。姿态控制系统包括16台小推力发动机。仪器舱装有两组容量为296安时、互为备份的银锌蓄电池。
登月飞行包括4个步骤：①第一和第二级火箭将飞船送入环绕地球的中间轨道；②发动第三级火箭，进入向月球飞行的轨道，在第三级飞行末段。指挥舱和服务舱与第三级火箭分离，指挥舱和服务舱调转180°后与仍和第三级连在一起的登月舱对接，再与第三级分离；③服务舱的发动机启动，使飞船进入绕月飞行的轨道；④登月舱分离并转入下降轨道，最后在月球表面着陆。
返回时的第一步是登月舱的上升级分离并起飞；第二步是登月舱的上升级与在绕月轨道上飞行的指挥舱对接；第三步是登月航天员返回指挥舱并与登月舱上升级分离后进入向地球返回的轨道；第四步是指挥舱与服务舱分离并再入大气层。
登陆月球
1966年底，在3次不载人飞船连续发射成功之后，美国决定在1967年2月21日进行“阿波罗”号飞船的首次载人试验飞行。这次发射代号为AS—204，即“阿波罗1”号。
将要在“阿波罗1”号飞行中出征的是格里索姆、怀特和查菲3人。其中指令长格里索姆曾在“水星”和“双子星座”计划中两度飞临太空，怀特曾乘“双子星座4”号飞船升空，并进行了美国的首次太空行走，查菲还从未进入过太空，此次他跃跃欲试，要一展身手。在地面准备和测试阶段，“阿波罗1”号总是出问题，迈向月球的这第一步充满了艰难与险阻。
1967年1月27日，星期五，下午1时，“阿波罗1”号的3名乘员进入指挥舱进行例行的地面试验。进入飞船后，格里索姆把他的航天服与舱内供氧系统相连时，闻到了一股“酸味”。于是航天员们停下手头的工作，抽取了空气样品。试验继续进行。紧接着，氧气流动异常主警报器发出了警告。飞船环境控制系统技术人员当时认为是舱内乘员的运动引发了警报器。不久，格里索姆又与地面控制部门失去了通信联系。通信恢复后格里索姆说：“如果现在就联系不上，等我们到了月球又怎么办？”
试验仍在进行。突然，舱内的查菲像是不经意地说：“火，我闻到了火的气味。”2秒后，怀特更加肯定地说：“舱里着火了！”然而，由于“阿波罗1”号采用了新的机械式舱门，在舱内不可能很快将门打开，3名航天员失去了逃生的机会。待技术人员赶到时，大火已横扫座舱，烈火和浓烟吞噬了舱内的一切。
美国失去了3名最优秀的航天员。事后调查表明，大火始于座舱左侧一束导线或其附近出现的一个小火花。因为当时飞船已做完了加压试验，舱内充满了纯氧，火花的出现无异于把3名航天员置于一颗炸弹的中心。
这次大火使“阿波罗”飞船的首次载人飞行试验推迟了一年半，但载人航天事业并没有因此停止前进的步伐。这正如格里索姆曾经说过的话：“如果我们牺牲了，希望人们能够接受。我们从事的是一项危险的工作，我们希望不管发生了什么事都不要影响登月计划的实施。征服太空值得我们冒生命危险。”在这段时间内，美国对“阿波罗”飞船进行了重新设计，并对航天员的安全问题给予了更多的考虑，包括使舱门能在2～3秒内自动打开，对防火、生命保障系统等进行不同程度的改进。航空航天局还决定再发射几次无人飞船，以对飞船各系统进行更广泛和细致的试验。1967年11月9日，“阿波罗4”号飞船升空，它的主要目的是检验火箭和指挥舱发动机。1968年1月22日发射的“阿波罗5”号飞船试验了登月舱下降和上升推进系统。同年4月4日，“阿波罗6”号飞船又对整个飞行器的所有功能进行了全面试验。
1968年10月11日，“阿波罗7”号飞船由“土星1”号B二级运载火箭发射升空。这是“阿波罗”计划中的首次载人飞行。3名航天员是指令长沃尔特—希拉、指挥舱驾驶员唐·艾西尔和登月舱驾驶员沃尔特·坎宁安。希拉曾在“水星”和“双子星座”计划中两次执行太空飞行任务，而另两人则是第一次进太空的新人。
与“阿波罗1”号相比，“阿波罗7”号的指挥舱与服务舱做了重大修改，采用了新的结构和试验方法，安装了新的测试设备。它此行的主要任务就是在地球轨道上验证上述系统的功能，检验飞船的数据系统，演练交会对接，同时要在多种飞行方式的转换过程中测试辅助推进系统。
当飞船按预定程序与火箭第二级分离并拉开一定距离后，航天员通过手动操作，将飞船调过头来，这样航天员们就可以通过指挥舱的窗口看到已分离的火箭第二级。“阿波罗7”号飞船没有装登月舱，但在二级火箭顶端安装了一个与未来登月舱的接口一模一样的装置，航天员们用它来试验接口的各种性能。航天员们还成功地进行了两次交会对接试验，其中第一次试验由对接雷达提供了距离和方位。