第1章一次震惊世界的冒险
1.1 阿波罗计划的意义 
阿波罗计划并非只是“冷战”时期的花招，尽管很多人都这么认为；也不只是显摆超级力量的实例，尽管大体上如此。
同人类的许多决策一样，美国于20世纪中叶前往月球的决策，其反响完全是总统顾问们在诱导他作出这一历史性决定时所难以想象的。1961年5月21日，约翰·菲茨杰拉德·肯尼迪总统在国会“国家迫切需求”联席会议上发表演讲时，用“……现阶段再没有哪一项航天计划能比阿波罗计划更具冲击力……”这样的阐述来论证其远大目标。他说对了吗？或许。阿波罗计划确实是一个在有利政治环境下，全国行政体系如何成功提供资金并管理好庞大工程的范例。具有讽刺意义的是，这恰恰是苏联制度（一种美国试图用抢先登月来压倒的制度）的典型特征，或许证明了人类的相似性大于差异性。
当整个计划随着阿波罗11号任务达到成功巅峰时，媒体都在宣扬如此奇迹般的成就必将使人类联系更加紧密。人们意识到这正是逐渐摆脱政治偏见的西方社会促进和平努力的巅峰之作。在阿波罗11号登上月球的第二天，美国国家航空航天局（NASA）局长托马斯·O.佩因接受英国电视台采访时问道： “为什么我们的政治机构不能够更和谐地引导全世界人民投入共同的伟大理想： 世界和平以及远离饥饿、无知与疾病？为什么我们不能像飞到月球那样，在其他许多领域做得更好？" 
简而言之，媒体丢弃了以往悲观怀疑的态度，采取了几乎恭维的语气。在阿波罗11号发射的转播中，当尼尔·阿姆斯特朗、米歇尔·柯林斯、埃德温·布兹·奥尔德林乘坐摆渡车前往飞船时，英国广播公司老牌评论员米歇尔·查尔顿一直在为英国听众解说。他用庄严、敬畏的语调解说道： “今天早上，他们作为出生并终生生活在地球上的人类的代表，带着人类的美好愿望与赞美，开始了前往太阳系的旅程。这个旅程也可能开启人类疏阿波罗是如何飞到月球的第1章 一次震惊世界的冒险散到宇宙中其他地方的先河。" 
在一份纪念阿波罗11号任务成功25周年的文件中，作为阿波罗计划的一线工作人员之一，并曾搭乘阿波罗8号飞船绕月飞行的弗兰克·博尔曼指出，讲究实效的肯尼迪总统在他结束“冷战”的努力中，是如何利用其像语言大师一样的能力将月球之旅鼓吹成一次伟大的探索的。“胡扯！”博尔曼说，“我们搞这一计划是为了击败俄国人。”同一份文件中，阿姆斯特朗在引言中指出，除了显示国家实力，参与者头脑中其他动力和冲动是以同等的力量驱动月球探索。“对我们自己星球之外进行探索的梦想实在太强烈了，无法拒绝。我们要去探索未知领域，我们想向前推进太空飞行的极限。" 
因此，阿波罗计划变成了褒贬者各有说法的计划。对于那些其无人航天任务因阿波罗计划而搁置或取消的科学家来说，阿波罗是一项奢侈的计划，把巨额资金花在了完全可以用更小代价获得同样知识的地方。有机会参与阿波罗计划的科学部门和其他人则声称，“载人”将会大大地增加科学成果。历史学家刘易斯·芒福德将阿波罗讥讽为一次“逃避”受敌意和荒谬困扰的现实世界的冒险。在经济学家巴巴拉·沃德看来，阿波罗是人类终将迈出地球的象征，而且从太空中俯瞰地球也可以推动人类的想象力向着人类和谐共存发展。
阿波罗无疑是NASA最伟大的成就，但其完美成功也使其成了一个负担。NASA的资金直接来自美国政府，并根据善变的国会的政治念头按年度拨付。当阿波罗计划背后的政治需求减弱时，像任何其他成熟的政府机构一样，NASA就会自然地寻找能使其按习惯模式继续生存下去的项目。但至今仍没有一个项目能大致达到阿波罗计划的规模和经费，同时具备值得为其投资的政治动力。因此在后阿波罗时代，NASA向美国纳税人鼓吹航天飞机，将其作为走向“新前沿”的更经济的新路线，在这个过程中，他们自己建造了昂贵的多用途“太空运输车”。但是航天飞机也很脆弱，每次造成宇航员死亡都直接威胁其能否继续存在，而此类事故已经发生了两次。但保持阿波罗计划的延续也非常困难。
NASA力图论证持续对其投资的一种办法，是宣扬从支持月球探索的各种研发所得到的技术副产品。从阿波罗计划中，美国工业界在多个领域无疑都学到了更多东西： 从冶金学到计算机仿真，从电子学到流体阀设计。不过，对于利用技术副产品论证未来宇宙探索合理性的人来说所遇到的问题是，这些成就与阿波罗计划之间的联系，大多和当时美国正在进行的更大规模的防御及航空航天研究项目之间的联系不相上下。经秘密调查，很难分清一项新技术、一种新材料或一个新系统是来自同时开发的弹道导弹、飞机设计还是侦察卫星。从经济和工业角度来看，说花在阿波罗计划上的数十亿美元的主要收益是为美国航空航天工业注入资金、提供工作岗位和获得技术更确切一些。不管怎样，这是肯尼迪提出登月计划的一部分。
然而，与美国国防界的隐蔽开发不同，阿波罗计划是公开进行的。为了宣传效果，在全球瞩目下进行阿波罗计划是一个异乎寻常的举措，甚至不惜让NASA暴露每一个机械故障，每一次管理失误，甚至是每一次宇航员死亡。这种公开的一个结果是激励大量孩子投身于科学与技术。2004年10月4日，一个形状奇特的小型航天器赢得了X奖，总额1000万美元的奖金授予这艘首次私人投资的三乘员飞船。这次试飞采用临时压舱物替代两名乘员的重量，上升到了国际公认的100千米高度的太空下边界之上。尽管奖金数额可观，但这项商业太空运输的初步研究没有获得利润，它靠的是保罗·艾伦2000万美元的投资。保罗·艾伦是一位企业家，他在20世纪70年代中期与人合作创立了软件业巨头微软公司，从而开始发迹。孩提时代，他就很着迷地关注着水星任务、双子星座任务以及阿波罗任务的进展。“我真的对美国早期太空成就感到痴迷，而且可能比大多数孩子更深。”他只是计算机和互联网工业中众多亿万富翁中的一员，他们在阿波罗计划的梦想中长大，此后他们通过在新的、刚刚起步的商业太空项目中投资以表达他们对太空的兴趣，这些项目能使更多人的梦想成为现实。
在前往月球的旅途中，阿波罗上的宇航员会时常从飞船舷窗向外看，远眺地球并拍摄照片。有些人声称，当正在阿波罗17号看到的整个地球
担心地球生物圈状态的人们看到从荒芜的月球边缘升起的宝石般地球的图像，或在前往月球的途中拍摄到地球全景时，这些非同一般的图像直接推动了现代环境运动。这些图像作为我们这个脆弱地球的象征被无休止地复制，作为绿色运动号角的序曲，并且被众多团体广泛用来展示其对环境的担忧。事实上，一定程度上具有讽刺意味的是，尽管我们从月球学到了很多，但在整个阿波罗计划中意义最深远的发现却是地球自身。
从某些方面讲，阿波罗计划是美国人的终极冒险，因为它注入了渗透美国社会的开拓精神，并赋予那个时代宇航员几乎像神一样的地位。在《正义之战》一书中，作者汤姆·沃尔夫描述了早期美国航天计划及其几近孤军奋战的宇航员们。古代文明中，战斗首先由双方最佳斗士的一对一战斗开始。“冷战”中，地球上两大强权集团的部落英雄不再是马背上的骑士，而是由出身战斗机驾驶员的人们--喷气机飞行员来扮演，他们愿意为国家荣誉而拿自己的生命冒险。这些人是想要攀登职业金字塔顶峰的勇士，驾驶越来越快的喷气式飞机不断达到更高的高度，这就是试飞员的冒险世界。在这个领域，允许为崇高的目标而牺牲。太空时代的开创带来了一个激发人们追求高速度的新高潮，不过比以往更加危险。在早期不成功航天试验的电视广播中，美国公众亲眼目睹了早期火箭的不可靠。他们坚定地敬慕那些将自己关在剧烈振颤的受控炸弹（易爆火箭）前端被射入空间以证实国家实力的人。在罗恩·哈沃德的电影《阿波罗13号》中，安排了一个极其壮观的土星V火箭的发射场景。詹姆斯·霍内尔评述的这一情节让人马上回想起庄严的加冕仪式绝非巧合。挑选的这些人为了国家的荣誉时刻准备被派往天堂。
登月最终成为技术能力的终极表现，成为人们熟知的论调： “如果我们能让人在月球上着陆，为什么不能……”如果把阿波罗计划的意图单纯看作是高超技术能力的演示，它已成为自我评判西方世界在其他领域进步缓慢的标杆。在人类所能做的如此辉煌事业的背景下，为什么现实世界中的其他成就显得毫无光彩、拖拖拉拉和支离破碎？实际上，世界向着同样考验人类智慧的另一些引人注目的目标前进，特别是计算机能力的提升，以及由互联网和移动通信技术带来的越来越畅通的通信与信息流。在一个日益关注其自身的世界里，阿波罗计划的前瞻性成就显得有些不着边际、华而不实和近乎幼稚。
从很多方面看，由参与的数千名科学家的技术创造力和梦想驱动以及政治环境造就的阿波罗计划，是用20世纪60年代的技术实现21世纪探险的典范，它提前了两代人的时间，确实是一项震惊世界的冒险计划。
1.2 月球之梦
“二战”结束后，在美国航空研究机构内，一些非凡的天才工程师产生了非分之想。按现在的说法，这些非分之想是他们想入非非地让一个载人航天器（当时没有考虑女性）发射出地球大气层，并且可以让乘员活着返回。其中马克思·法格特和欧文·迈耶内德表现最为突出，他们开始着手制定一个能解决种种难题的计划。该计划将多种当时正在走向成熟的技术集成在一起，有可能使太空旅行的梦想得以实现。其中很多技术也与核武器的投送有关，最为突出的例子就是液体燃料火箭、烧蚀隔热层以及钝头再入飞行器。
美国和苏联都掌握了从“二战”战败的德军中搜集到的火箭技术。通过向为纳粹工作过的火箭工程师骨干学习，两个超级大国都发射了火箭，这些火箭或是战利品或是在德国经验基础上本国研制的火箭。很快都明白这些火箭将可用来携带新研发的核弹头，可以在短时间内将核弹投送到很远的距离。“冷战”中双方都有核武器，并且双方也都意识到，一旦交战，先发投送核弹头对于国家的生存至关重要。
快速投送核武器需要研发洲际弹道导弹（ICBM) ，洲际弹道导弹的长距离惯性飞行可在半小时内跨越大洲。虽然这类导弹不需要达到轨道飞行的速度，但其飞行弹道的大部分在大气层之外，这种方案所遇到的主要问题是必须对付有效载荷以超音速再入大气层时必定遇到的炽热。在抛弃采用热沉方式吸热的方案后，工程师们转向了烧蚀隔热层方案。烧蚀隔热层是弹头外用可烧蚀材料制成的外表层可缓慢烧焦烧毁，从而对高速返回大气层的弹头起到保护作用。同时，H.朱利安·阿仑的研究证明将再入体外形做成钝形防护罩，可将高速空气动力伴生的灼热激波屏蔽在壳体结构之外，使得最热、最有侵蚀性的气体离开弹头。
法格特和迈耶内德研究了这种技术是否能让人坐在火箭的有效载荷舱而不是弹头内，进入太空并返回地球，且不会热坏、冻坏、闷死、压伤或淹死。这一研究成果首先用于单人水星号飞船，一个相当简单的舱室，使美国首次实现了历时数分钟到数小时的载人航天飞行。不过即使在这种首飞试验之前，工程师们已经在着手考虑设计后续航天器，它可以容纳三名宇航员，进行一次长期空间飞行，并进行可控下降，穿越大气层降落在海面上。他们设想，或许这样一种航天器甚至可以飞往月球。
1960年10月设想的可控阿波罗飞船
飞船的名字“阿波罗”是NASA空间飞行工程办公室主任艾伯·斯利文斯坦在1960年中期提出的，他从希腊神话中得此灵感。阿波罗是宙斯的儿子，同太阳神赫利俄斯有关系。对斯利文斯坦来说，阿波罗驾车驶过太阳的想法象征着这项工程的迅猛推进。虽然前面有水星号与双子星座飞船作为先驱，阿波罗再入返回舱的基本构型早就已经定型，即使还没有进入工程任务。
1961年5月，美国人艾伦·谢泼德仅仅15分钟的飞行勉强涉足太空，肯尼迪总统便宣布了一项新生飞船任务，那时他要求美国将一个人送上月球，并将他安全带回地球，而且这项任务要在8年半的时间内完成，即在20世纪60年代的剩余时间内实现。肯尼迪担任总统的最初几个月被苏联在太空中的几项抢先所困扰，尤其是1961年4月12日尤里·加加林成为第一个进入太空的人。更大的问题是入侵苏联支持的古巴的失败，迫使肯尼迪寻找某种事件以提升美国在全世界的形象。将人送上月球， 这个NASA已经在设想的目标，在设定期限内最终实现，看来是一项使得美国在空间竞争中领先的雄心勃勃的计划。阿波罗计划由此被推上舞台。
1961年5月25日肯尼迪总统向国会宣布他的登月计划
1.3 阿波罗飞船
阿波罗飞船被设想为由两部分组成，三位宇航员位于锥形的返回舱段中，在那里控制着整个飞行任务。该指令舱（CM）携带了宇航员飞行所需的大部分装备和再入时所需的全部物品。大部分宇航员消耗品（如空气、水、电源）及主要的推进与冷却设备放在一个圆柱形舱段内，该舱段位于指令舱后隔热层的后面。该勤务舱（SM）在大部分飞行中与指令舱（CM）连接在一起，两个舱体共同构成指令勤务舱，取首字母简称为CSM。在返回过程中，勤务舱（SM）就在进入地球大气层之前被抛弃。这一特殊的锥柱联合体，加上后端伸出的喷嘴，已成为在那个时代长大、对太空飞行十分着迷的孩子们心目中的典型飞船。
早期计划中，曾设想将某种结构的指令勤务舱作为更大飞行器的一部分一直送到月球表面，大飞行器可伸出一组着陆架来使整个组合体着陆月面。但这是一个非常笨重的登月器，将这一指令勤务舱重新推离月球要用航天器的大型主发动机的推力。
在绕月轨道上的阿波罗14号指令勤务舱--猫头鹰
1.4 哪种途径
尽管肯尼迪宣布了月球将成为美国航空航天界的目的地，管理层仍然必须决策如何完成这个旅程。起初研究了两种竞争性方案（或称方法），两种方案都有强有力的支持者和反对者。第三种方案力争得到支持，却常常希望落空。
第一种方案称为直接上升式，尽管它看起来是最简单的方案，但却是所有方案中最为冒险的。它需要研制一个巨大无比的火箭，将巨大的飞船直接送到月球而不在地球轨道上暂停。这艘阿波罗飞船将携带完成使命并返回地球所需要的所有东西，包括着月装置、太空航行和月面活动的必需品以及保证在月球上降落并再度从月面升起的强劲发动机等。这是一个蛮力方案，其支持者争辩说，这是在限定时间内可实现的最简单也最容易的方案，避免了可能的复杂性。不过，反对方说它需要一种新型新星火箭，该火箭只是按比例放大到惊人的程度，即使最终选用的强大的土星V火箭也相形见绌。这种直接方式一度得到罗布特·吉尔鲁斯的支持，他是太空任务组的负责人。该小组是NASA中的一个小型组织，法格特和迈耶内德都是小组成员，这个小组后来成为载人飞控中心的核心，现已更名为休斯敦的约翰逊航天中心。
但是德国火箭泰斗沃纳·冯·布劳恩有不同的想法，他是位于阿拉巴马州的马歇尔航天中心的主任。他和他的团队沃纳·冯·布劳恩站在
早期土星火箭旁在“二战”后被俘到美国，并帮助美国陆军开发了第一代实用火箭。他们成为研发大型运载火箭系列（统称土星火箭）的一部分。虽然马歇尔中心的一些人赞同直接上升方式和新星火箭，可冯·布劳恩更倾向于采用地球轨道交会（EOR）方案，他认为这一方案更容易实现。该方案需要在短期内相继发射多枚较小的土星运载火箭，将飞船的组件送入地球轨道，这些组件在那里组装起来再送往月球。当冯·布劳恩的同胞科尔特·迪布斯在卡纳维拉尔角的梅里特岛上开始建设火箭发射设施时，地球轨道交会方案成为实现登月目标的最好方式，所设想的多次发射和相关的发射准备要在短期内连续进行，由此勾画出新的月球港设计方案，但结果这些能力几乎没有充分利用。
在工程师与设计者研究多种方案的过程中，两种倾向性登月方式的很多重大问题凸显出来，这些缺陷带来不能按照肯尼迪总统设定期限完成的危险。最为头疼的问题是新星火箭的惊人体积。建造、运输、加注燃料以及最终发射这样一个庞然大物的难度难以想象，一名工程师发牢骚说，“这东西快要把梅里特岛压沉了”。承包商不得不从着手建造发射设施开始，而所取运载火箭的类型对于他们的设计至关重要。绘图板上的土星系列火箭中较大的一个是C5火箭，约有36层楼高，看起来是更为合理的方案。这种火箭后来被改名为土星V，读作土星五号。
向月球发射一个大型阿波罗飞船设想的两种方案，以及飞船外形设计方案同样令人头疼。宇航员坐在一个拥挤的圆锥形阿波罗指令舱中，该舱安装在巨大的由火箭驱动的着陆级上方。这样，宇航员将会发现同所有飞行员一样，他们的舷窗都朝向天空，而不是向下看他们的着陆点。他们逐渐认识到指令舱的外形很不适合在月球着陆。
吉尔鲁斯空间任务组是在当时位于弗吉尼亚州兰利的NASA航空中心基础上建立起来的。在兰利的另一个研究小组正在研究前往月球的可能轨道，他们指出在飞行任务中加进月球停泊轨道可以节省很大的重量。同沃特宇航研究所的工程师一道，他们提出了一个大胆但高效的方式，只使用一枚土星C5火箭即可完成月球旅行任务，这就是最终胜出并成为美国前往新世界路线的第三种模式。
1.5 月球轨道交会
任何空间旅行路径都在很大程度上受到可用推进剂的影响，而所需的推进剂总量主要取决于太空飞行物体的质量和飞行所用时间。第三种方案称为月球轨道交会（LOR) ，该方案力求尽量减少任一飞行阶段需要推进的总质量。阿波罗飞船所需推进剂总量的减少也使飞行开始时的初始质量达到最小，从而采用单枚土星V火箭就能完成任务。
通过反过来计算可以最好地理解其优势，飞船中唯一需要推离月球轨道并返回地球的部分就是加隔热层保护的指令舱，这就决定了完成此任务勤务舱所需要的推进剂量。另外，通过为任务特别设计的登月舱，将阿波罗母船（即指令勤务舱）及其为返回地球家园所需的消耗品和推进剂留在月球轨道上，从而不用携带大量多余的质量降落到月球表面并再次升空。登月舱仅需带两名宇航员到月面，留下第三名宇航员照看指令勤务舱。此外，不需要将带他们降落月面的发动机、着月装置以及空储箱再次带回月球轨道。宇航员只需要利用登月舱的上面部分就能返回母船，可使用更小的发动机和更少的推进剂来完成此任务。由于没有必要将登月舱的其余部分带回地球，可丢在月球上，因此指令勤务舱携带的最终推进剂总量就是整个组合体返回月球轨道所需的部分加上进入地球的部分。在飞行的每一个阶段，只需加速最小的质量，而其他任何已经完成使命的东西都将随时丢弃。
节省的累计质量很大，使得月球轨道交会方案在工程和成本方面十分具有吸引力，但这一方案使NASA必须面对一些在太空飞行早期似乎无法实现的工程可行性问题。同地球轨道交会方案一样，有两个独立的航天器，就意味着要学会如何在它们以惊人的速度飞行时让它们在轨道上交会对接。两艘飞船必须连接或对接在一起，才能使宇航员和货物从一个航天器转移到另一个航天器内。这些技术都还没有在地球轨道上演示过，而且月球轨道交会方案要求这一切在近500000千米远的月球附近独立进行。月球轨道上交会失败必定导致登月舱上宇航员死在月球轨道上。而对接失败将要求宇航员必须穿上航天服并经外太空从一个航天器转移到另一个航天器。在没有人知道失重环境会使身穿笨重压力服的宇航员面对何种挑战的情况下，完成上述工作似乎是极度冒险的。
新生的航天界中很多人被月球轨道交会方案的大胆创新吓住了，这一方案看起来十分莽撞和充满危险。不过有人确信该方案有很多优点，约翰·霍博特以近乎宗教的狂热首先拥护，游说NASA的层层机构及NASA各中心的权重要人，努力说服这些机构除非采用月球轨道交会方案，否则到达月球的希望十分渺茫。
肯尼迪总统宣布在10年内完成登月的挑战后，NASA用了一年多的时间讨论登月模式问题。在那段时间里，直接上升式及其庞大的新星火箭方案在很大程度上被否决了，留下冯·布劳恩力争的地球轨道交会方案和吉尔鲁斯推崇的月球轨道交会方案作为竞选方案。但直到最后决定之前，仍无法认真展开飞船研究。NASA总部的约瑟夫·舍尔要求双方就对方的方案提交报告，这是一种管理策略，让冯·布劳恩认真审视月球轨道交会方案的优点。1962年6月，在马歇尔航天中心召开的一次大型会议上，NASA采纳了霍博特的提议，选择月球轨道交会方案作为他们奔月的途径。
月球轨道交会方案的倡导者、兰利的约翰·霍博特
飞行模式确定后，就开始宇宙飞船的设计和建造。指令勤务舱由北美航空公司建造。对这些飞船已很好地展开了早期研制，只是它们的功能现在才能准确设计，例如勤务舱上不需要登月级。勤务舱的主要组件已经完成了设计。决定保留推进系统推力的最初设计指标，并在飞行任务规划中统一考虑它。研制了两种型号的指令勤务舱。第一种不能支持前往月球的任务，但它可在地球轨道上进行工艺试验并获取经验，直到第二种飞船成熟。第二种飞船将是真正意义上的月球飞船，配上供电的燃料电池、用于对接的硬件、深空通信以及完善的制导导航系统，第二种指令勤务舱就成为阿波罗故事中的主角，它将运送一个类似蜘蛛的登月器前往另一个世界。在某种意义上，指令勤务舱是一个微型行星，为3名宇航员在宇宙中生活长达两星期提供全部必需品，同时又让他们完成人类多年来梦想的旅程。最后，第二种飞船的设计方案吸取了第一种方案无法完成载人飞行任务的一些致命缺陷的教训。
1.6 装备1.6.1 阿波罗飞船  指令舱是一个坚固的圆锥形航天器，几乎完全用隔热层覆盖。隔热层在飞船底部最厚，经受再入大气时的最严重烧阿波罗指令舱的计算机绘图
（斯科特·沙利文提供）蚀。圆锥体外圈布满了很多小储箱、火箭推进器、各种天线以及两个用于排废水和尿液的出口。圆锥体的顶端有一个可拿掉的探头装置，它可使圆锥体与阿波罗登月舱对接在一起，顶端还有一条通道，宇航员可以通过它在两个航天器之间进行转移。地球着陆系统的降落伞和其他配件被精心地折叠放置在这条通道外围。
指令舱内部的剖面图
（斯科特·沙利文提供）
指令舱内仪器布局的计算机绘图
（斯科特·沙利文提供）
指令舱的主体是压力舱，乘坐3名宇航员和装载大量电子装备。为了减重，舱体由两层铝板夹一层铝制蜂窝结构制成。在发射和再入阶段，宇航员躺在座椅上，背朝飞船尾部。通常，尽管不尽然如此，发射时指令长坐在挨着大部分飞行仪器的左侧座椅上。登月舱驾驶员（LMP）位于右侧座椅，并且负责飞船各系统，因为这里安装了很多相关开关和显示装置。指令舱驾驶员（CMP）坐在中间，他的头紧邻飞船舱门。为在太空中进行大型机动，指令舱驾驶员将坐于左侧座椅。在宇航员的正前方、通道入口周边是主显示控制台，它是一个装有400个按钮、开关、仪表和显示器的巨大面板，与座椅扶手端伸出的各种手动控制器配合，可完成飞船的大部分飞行动作。在控制台的上方，指令长和登月舱驾驶员的视线之内有两个小的前视舷窗。其他的面板、舷窗和隔间都安排在宇航员周围。具体来讲，在指令舱驾驶员的脚部位置是下设备舱，存放指令舱驾驶员导航飞船所需的所有设备。
指令勤务舱内部剖面图（斯科特·沙利文提供）
圆柱状的勤务舱和指令舱的尾部相连，它负责提供大部分消耗品，以及电力、水、空气和制冷。它还带一个用于深空通信的抛物面天线阵，用于姿态控制和飞船主要推进手段的推进器，以及从其后部伸出的可靠性极高的勤务舱推进系统（SPS）发动机。这个发动机将宇航员送入绕月轨道，并且在完成探索任务后将他们送回地球。勤务舱的大部分空间被4个大储箱所占据，这些储箱中装着16吨以上的发动机推进剂。几个小的氧和氢储箱为3个燃料电池提供反应物质。在燃料电池中通过小规模化学反应将这些元素化合在一起，不仅为乘员组提供电力，同时也提供了优质的饮用水。这些氧储箱还为指令舱内供氧。
1.6.2 阿波罗登月舱
登上月面前的阿波罗16号的
登月舱--猎户座指令勤务舱是一个流线型的坚固航天器，设计得可上升穿越地球大气层，而指令舱则设计成可承受再入返回时的严酷环境。与此相反，登月舱是一个真正的太空飞行器，因为它根本不能在大气中飞行。
登月舱的建造委托给格鲁曼飞机工程公司。这真是一艘稀奇古怪的飞船，其主要系统的每个方面都表现了设计师的技术水平。在最初的构想中，称作月球旅行舱，因此缩写为LEM。不过，1965年管理层感到使用旅行这个词太过轻浮，有宇航员前去度假之嫌，因此名字缩短为登月舱（LM) ，但保留了“lem”的发音。
登月舱下降级的计算机绘图（斯科特·沙利文提供）
登月舱要足够坚固以承受从地球发射时的振动及加速过载，同时还要承受在不平整月面着陆时的冲击。同时，其质量还必须尽可能轻，不超出土星V和指令勤务舱将其送入月球轨道的运送能力。其最大的发动机必须是可节流控制的，从而为不借助翅膀或跑道在另一个世界降落的宇航员提供足够的控制能力。其飞行路径由两台小型计算机控制，当时这样的机器要占建筑物的整整一层。其推进系统以极大压力工作，且其发动机必须完全可靠。
登月舱上升级的计算机制图
（斯科特·沙利文提供）在阿波罗之前，没有人从事过登月舱的实际设计工作，这意味着一切要从零开始。不过格鲁曼飞机工程公司在赢得登月舱设计合同之前，他们的工程师就已经进行过一些初步设计。此后他们经过反复修改确定出最终设计方案。登月舱做成两部分的思路很快被纳入月球轨道交会方案的基本要求。直到离开月面前一刻登月舱都是一个整体。登月舱的形状与布局，比如腿的数量和座椅的安排，都需要进行专门研究。3腿方案的质量最轻，也最能适应起伏不平的地形，但是任何一条腿出故障都将导致失败。5腿方案稳定性和安全性良好，但其布局与推进剂储箱的安排有冲突，且需要更多的构件和更大的质量。4腿方案是较为合适的折中方案。登月舱的下面一级，或称下降级，是一个十字框架结构，框架中心安装发动机，四周装4个推进剂储箱。在十字框架的每一端安一条着陆腿，其中之一带有梯子。着陆机构之间的框架分隔间用于存储宇航员从飞船驾驶转而进行月球探索时所需的设备，并在后续飞行中提供携带折叠电动车的空间。
登月舱的上面一级是乘员区。由于它将把宇航员带离月球，因此也称作上升级。在水平安装的圆柱形加压壳体的两侧，加一对像两颊的推进剂储箱，一个小型火箭发动机安装在该级的中心位置。早期的座舱设计方案中有像直升机一样的几个座椅和大视野窗口。飞船设计中，工程师们按最初的设计思想估计最终硬件的质量时，发现飞船质量呈现增加的趋势。阿波罗登月舱无法承受这种质量的增长，因此尽量减小飞船质量的压力一直持续到第一次成功执行任务之后。工程师们设想出取消座椅的新方案，因为他们认为宇航员的双腿将是下降过程中遇到的月球小重力的最好冲击缓冲器。并且在月球的小重力环境中站立不费劲。这一改变对上升级的设计方案有显著影响。如宇航员坐着，他们的头会远离窗口，就需要安装大面积的沉重玻璃才能得到足够的视场。更好的办法是让两名宇航员贴飞船前壁站立，在那里可以通过两个向下倾斜的小型三角形窗口向外观察，这样就可以看到正在接近的着陆点并控制飞船向它飞行。这样安排可节省很多质量，主要电子设备置于飞船后部以平衡乘员组重量，4个推进器分别装在每个角上，用于姿态控制，一组天线装在专用的舱顶构架上。结果形成一艘不同寻常的载人飞船，从美学角度上或许很丑，但从必须担负的功能上看则设计得非常完美。
1.6.3 发射逃逸系统
飞船安装到土星V火箭的顶端时，还带一个任何人都希望永远不启用的阿波罗系统的附加部件。一旦启用，则对于所有参与者来说都是一个倒霉日子。连在指令舱尖端的是一个桁架结构，其上装一个细细的像铅笔一样的塔，其中有一个大推力固体燃料火箭发动机，这就是发射逃逸系统（LES) 。包裹在指令舱闪亮外壳周围的是玻璃纤维与软木制成的罩子，称作上升保护罩（BPC) 。上升保护罩将隔绝指令舱正常上升段前3分钟内与空气摩擦产生的热量，以及发射逃逸火箭一旦启用将产生的高温喷焰。
发射逃逸系统示意图
如果土星V发生灾难，逃逸火箭发动机仅工作8秒钟就会产生一个相当于66吨重的力和7个g以上的加速度，猛拉着指令舱和宇航员快速远离危险的土星V。发动机喷气从4个向外侧倾斜的喷嘴排出，以保证喷焰避开飞船。如果发射正常则不需要发射逃逸系统，这样在最初3.5分钟后，塔顶附近的另一个小火箭发动机就会将发射逃逸系统拖走（包括上升保护罩），最后落入大西洋。
1.7 铸剑为犁： 冯·布劳恩的火箭
尽管采用月球轨道交会方案具有质量轻的优势，但阿波罗飞船及其登月舱仍然有巨大的质量需要推离地球并送往月球，仍需要一个极其特殊的火箭来完成此任务。
从各个方面看，土星V火箭都可作为登月工程十足冒险精神的缩影。它的尺寸、推力和质量都十分巨大，需要有庞大的设施去建造、测试、运输和发射，其发动机以惊人的速度消耗惊人数量的推进剂。同时它还要求精确细致地控制好所产生的巨大推力。NASA为设计它绞尽脑汁，之所以这样是因为其设计者一开始可能计划建造规模更大的火箭，相比之下，土星V火箭似乎相对简单些，但是当将想法变成现实时，给美国航空航天工业施加的压力全然不亚于飞船所带来的压力。
土星V的起源可以追溯到“二战”前德国业余火箭俱乐部--VfR(太空旅行协会)，年轻的沃纳·冯·布劳恩在那里作为天才火箭工程师和创始人脱颖而出。当德国准备入侵欧洲时，其军队按《凡尔赛条约》禁止用传统的远程大炮，因此对太空旅行协会的成就和如何将新的火箭技术运用到向敌人发射弹头产生了浓厚的兴趣。
冯·布劳恩领导着一支以佩内明德为基地的工程师团队。佩内明德是德国波罗的海岸尤兹德姆大岛上的一个半岛，在那里研制出他的以酒精和液氧为燃料的A-4火箭。到了战争末期，常规弹头被安装到A-4火箭的头部，并被德国宣传部更名为V-2（或称复仇者2号）. 1944年9月8日在伦敦克伊斯维克的爆炸，标志着V-2火箭作为威慑武器首次使用。随后，数千枚这类火箭被臭名昭著的德国秘密机构（纳粹党卫军）控制下的劳工大规模制造出来，并且在战争最后的几个月内发射，作为摧毁英国人民士气的最后一搏。
当盟军在战争最后时刻穿越欧洲进军时，多支情报专家小组忙着搜寻实用军事技术。冯·布劳恩知道，他的工程师团队的知识与经验对于无论哪一方先抓到他们的盟军部队来说，都将是十分宝贵的战利品。尽管更接近苏联军队，但他更愿意选择西方，故安排他的团队向美军投降。此外，他还帮助美军找回了十分有用的硬件和文献。尽管冯·布劳恩不知羞耻地借助军队发展他的火箭，但他思想深处还有其他的想法，那就是宇宙航行。
1956年，美国国防部下令美国空军负责采办国家远程导弹，在随后的几年里，美国空军及为其工作的公司研制出宇宙神、雷神和大力神导弹。冯·布劳恩的团队当时仍属美国陆军，最初以新墨西哥州的白沙靶场为基地，但现属阿拉巴马州亨茨维尔的陆军弹道导弹局，已经设计出红石和丘比特导弹。前者是美国第一代能将有效载荷送入轨道的火箭。在苏联于1957年10月4日发射Sputnik人造地球卫星而开启太空竞赛后，冯·布劳恩的朱诺I型火箭（加固体燃料顶上级的红石导弹）为美国而战，携带科学用途更多的探索者I号进入了高轨道。然而，火箭不可避免地与所携带的核武器联系到一起。从那时起到现在，美国人能够建造轻型核弹头，他们的军用火箭大都是低推力运载火箭，运载能力较低，不宜用作宇宙飞船的运载工具。而另一方面，苏联的核武器则是巨大笨重的家伙，因此他们的火箭必须是大推力，可为航天器提供更大的运载能力。认识到这一弱点后，冯·布劳恩的团队首先在丘比特导弹（实质上是增强型红石导弹）顶部增加固体燃料火箭，成为朱诺II型宇宙运载火箭，接着团队转向开发航天专用的重型运载火箭。最初命名为超级丘比特，将多个第一级发动机和储箱捆在一起以获得所需大推力，这一方案逐步演变成“土星”。当“土星”的早期开发工作持续到1960年时，冯·布劳恩的团队发现随着他们火箭的民用，他们已转到NASA。他们在亨茨维尔的设施变成了马歇尔航天中心，冯·布劳恩任中心主任。肯尼迪总统的登月目标确定后，土星火箭的研制就成为民用航天的一部分，而其最终设计方案与它将运载的阿波罗飞船的需求紧密联系在一起。
尽管最初想设计一个完整的运载火箭系列，但最终只按计划研制了3个型号的土星火箭。土星I是最早的研制系列，用它验证通过捆绑多个发动机以提高推力的设想，同时也试验了早期的阿波罗硬件。土星IB使用改进型第一级，并使用一个由麦道公司制造的新型高效火箭级S-IVB。这级火箭对于阿波罗工程至关重要，它构成了土星V火箭的第三级，为所有NASA的载人登月飞船提供最后的推力。在土星IB火箭中，S-IVB是载人级运载火箭的第二级，能将指令勤务舱或登月舱（但不能同时）送入地球轨道。土星V是土星火箭家族中的主要成员，之所以称为土星V是因为在冯·布劳恩的脑海中，在土星I火箭之后有3个图纸上的设计方案未实际建造。事实上，随着NASA早期计划的变更，有很多型号都停留在图纸阶段，以便赶上任务进展。其中很多型号使用不同数量的两种正在研发的发动机，即F-1和J-2，但可以同时搭载指令勤务舱和登月舱，完成登月任务的是神圣的土星V. 
1.7.1 F-1:  大推力发动机
F-1火箭发动机仍是迄今制造过的推力最大的液体燃料发动机，尽管俄罗斯20多年后研制的RD-170能以更高的效率达到它的输出水平。F-1是作为空军计划于1955年开始研制的，随后NASA为了更大推力给予了支持。由于拥有巨大推力，用作巨型运载火箭中一级火箭捆绑的发动机很是理想，但是它的诞生像阿波罗飞船或土星火箭中任何一个项目一样艰难。工作时，单个发动机每秒钟消耗3吨煤油和液氧，可以产生相当于680吨质量的推力。不久开发者发现简单扩展同代发动机的设计方案不行。向90厘米的巨大燃烧室注入如此之多的推进剂常常导致燃烧强烈不稳定性，这会导致发动机一个接一个地损坏。罗克特迪恩公司的工程师花了近5年时间反复试验，使F-1发动机驯服到可在其燃烧室内启动小规模燃烧，所引发的不稳定性可在半秒内自行消失。
1.7.2 J-2:  高能发动机
F-1发动机使用常规煤油燃料，而J-2使用较高热值的液氢燃料提高其性能，效率几乎提高了一倍。尽管效率更高，J-2仍达不到F-1达到的原始功率水平，因此更适合用作火箭的上面级。单个J-2发动机能够输出100吨以上的推力，并且可在太空中再次点火启动。J-2发动机的起源可追溯到20世纪50年代为研制氢燃料火箭发动机所作的研究，但是其研发基金完全来自NASA, NASA希望得到氢燃料用于其土星火箭带来的好处。
1.7.3 土星V火箭
马歇尔航天中心的工程师们研究了一系列可供他们使用的潜在型号，最终决定采用一种超级运载火箭方案--土星V火箭。这一方案可以通过两次发射完成一次地球轨道交会任务，或者只通过一次发射可完成一次月球轨道交会任务。加上顶部的阿波罗飞船和发射逃逸系统，火箭是一个高度达110米的庞然大物，分为三级。每一级的制造都通过严格投标承包给不同的公司，产品的每一部件都由NASA工程师严密监督。每一级的尺寸和动力都不同，对于设计者来说，每一级都存在不同的难点。
1.7.3.1 第一级： S-IC原始功率
尽管S-IC是土星V各级中最大的一级，但它的制造商波音公司却几乎没有遇到什么问题，其设计方案相当保守，主要采用直接扩展当时技术的方式。为了托起土星V 3000吨的重量，5个F-1发动机捆一起安装在S-IC底部。由安装在万向支架上的4个外发动机提供控制，利用来自火箭制导系统的信号实现精确瞄准，将它们的巨大推力指向宇宙飞船将要前往的方向。本级的其他部分长42米，由2个巨大的储箱构成，每个储箱直径10米，一个摞在另一个上面。超过80万升的精炼煤油燃料（称作RP-1，与喷气式飞机使用的很相似）存储在下面的储箱中。在S-IC第一级底部的5个F-1发动机
上面的储箱更大，装填了130万升极冷的液氧（LOX) 。液氧是一种低温推进剂，保存温度必须低于零下183℃才能保证氧为液态。尽管这些液氧储箱非常大，但据说储箱内部连一个指纹都不允许留下，以免在泵入液氧时引起爆炸。5个巨大的隔热管道从液氧储箱向下穿过储箱，向5个发动机提供氧化剂。
尽管S-IC在土星V火箭飞行过程中占主导，但它为阿波罗飞行做贡献的持续时间不过两分半多一点，此后便被抛弃落入距发射台650千米远的大西洋，现在那里有13个S-IC散落在海底。
1.7.3.2 第三级： S-IVB温度的极限
S-IVB是土星V火箭的最小一级，且最早开始飞行。麦道公司已经生产它们作为土星IB火箭的第二级，因此几乎不需要任何改进就可以让它同土星V其余部分一起工作。它利用了在单个可重新启动J-2发动机中燃烧的液氢液氧高能化合作用。
液氢是另一种低温推进剂，虽然在这种情况下需要将温度降到20K，即绝对零度以上仅20℃，或者说零下253℃，才能保证其为液态。设计时没有采用两者间需要沉重支撑结构的两个分离储箱，而是建造一个大型储箱来装载这两种低温推进剂，以节省质量。用一个绝热隔板将液氧隔在下层，而上部是液氢形成的椭球空间。由于在这样的极低温度下材料可能出现某些奇异特性，为保护储箱的铝质外壳，在储箱的内部以精加工块料形式进行隔热处理。加上圆锥形的级间连接部分，该级总长为18米，其中储箱直径为6.6米。
在肯尼迪航天中心装配期间的
阿波罗8号的第一级
超大飞机装运中的阿波罗12号的S-IVB级
 
1.7.3.3 第二级： S-II艰难的诞生
准备装配成运载火箭的
阿波罗10号的S-II级S-II级是土星火箭待开发三级中的最后一级，尽管其他两级都面临难以克服的工程问题，但都没有S-II给NASA和承研合同商北美航空公司的管理者带来的麻烦大。S-II级不仅必须携带低温推进剂，而且体积十分庞大，与直径达10米的S-IC不相上下，将近25米长。此外，由于其他两级的设计早已开始，所以希望从S-II减轻重量。开发过程中S-II重量不断减少导致了测试期间报废了两个S-II级，一段时间内S-II成了登月竞赛中的关键问题。对北美航空公司（正在同时建造S-II和阿波罗飞船）管理模式的严厉批评报告，差点儿在阿波罗1号的惨剧发生后断送阿波罗计划。
乍看起来，S-II很像大号的S-IVB，其储箱设计基本一样，只是北美航空公司采用液氢低温下增加强度的合金来制造储箱舱壁而节省重量。不过这需要在外面加隔热层，这是一项很困难的任务，原因是黏合剂的工作温度要保持在20K。隔热层与储箱壁间不能留有空隙，以免空隙中的空气凝结导致贴板松动或脱落。最后，通过在隔热层中加入沟槽，并在燃料加注全过程中注入氦气（氦气不会像空气那样凝结）来挤排空气。S-II级安装了5个不可重启的J-2发动机，它们可以产生相当于520吨的合成推力。
1.7.3.4 仪器单元： 火箭的大脑
阿波罗/土星工程师们在设计上所做的一个幸运选择是火箭首先应当依靠其自身的自主导航系统，而不是由飞船导航系统控制。控制火箭所需要的所有设备都装入仪器单元。这是一个安装在S-IVB顶部的6.6米直径的环，使火箭高度增加了1米。土星IB和土星V仪器单元环内都装着控制整个发射和上升入轨所需的所有设备，包括1台数字计算机、1个稳定制导平台、程序仪等。另外，还做了安排，一旦失效可由阿波罗飞船控制土星V火箭。组装过程中的阿波罗17号的仪器单元

1969年11月的阿波罗12号飞行证明了工程师们这一决策的正确，当时飞行器刚发射不久就被闪电击中，指令舱制导系统遭到突发电涌的短时冲击，但是土星火箭在其自己仪器单元的控制下继续飞行，从而使得任务控制中心和宇航员有足够时间从混乱中恢复过来。如果由飞船系统进行控制，飞行器就会偏离预定弹道，任务也会随发射逃逸系统发动机点火而宣告失败。
1.7.4 土星火箭的遗产
美国许多公司从土星火箭研制中学到了很多东西，这些经验用到了它们承研的其他系列火箭，如宇宙神、德尔它和大力神系列的改进型。不过，这些一次性火箭花费了30多年时间才赶上土星IB火箭的推力，而土星IB火箭的功率仅相当于土星V底部一个F-1发动机的推力。阿波罗任务之后，美国的航天重型运载能力交由航天飞机承担。航天飞机只有在使用大