就在“水星”号发射和回收取得成功的同时，18个经过严格挑选的大猩猩正在进行着进入太空的模拟训练，它们将成为征服太空的开路先锋。大猩猩是自然界中最接近于人类的高级动物，尤其是年轻的大猩猩，有着极强的模仿能力。在对18个大猩猩进行严格训练的过程中，一名叫哈姆的大猩猩表现特好，操纵机器的能力最强，在70分钟之内，它连续操纵7000次，误差只有28次。终于，哈姆登上了“水星—红石”2号火箭飞上了蓝天。那一天，哈姆紧握着操纵杆，充分施展出它在训练时学到的东西，使“水星—红石”2号飞船在太空中划了一个660多公里的大圆弧，安全地降落在预定的海面上。
水星计划取得了初步的成功。可就在这时，传来了加加林首次邀游太空成功的消息。为了与苏联人展开太空竞争，美国宇航局和布劳恩等专家决定立即进行载人航天飞行实验。但是，由于载人进入预定轨道飞行的时机尚不成熟，美国宇航局决定先进行像大炮炮弹那样做弹道飞行的亚轨道载人飞行试验，以完成载人轨道飞行前的实战学习。
在水星计划的早期，人们尚不清楚什么类型的人能够胜任宇航员的位置，曾考虑过的几种类型包括特技替身演员、马戏团演员、游泳运动员和赛车手。艾森豪威尔总统曾做出决定，认为宇航员应该是军事飞行员，特别是试飞员。此外，他们应该接受过大学教育、已建立了家庭、中等身高和体格，健康状况极好并且热衷于驾驶先进的飞行器。于是，美国国家航空和航天局的官员们开始筛选军事飞行员的服役记录，他们把范围缩小到了110人，这些飞行员分别来自海军陆战队、海军和空军。110名飞行员当中有69人参加了筛选测试，最终有32人被选中并同意接受在俄亥俄州和新墨西哥州进行的进一步测试。他们大多是第二次世界大战和朝鲜战争的老兵，有丰富的飞行经验并且健康状况极好。被选中以后，宇航员们又经过了几年的培训，包括在水星飞船系统中的训练以及飞行训练、连续的医疗评估和各种环境下的生存训练。他们刻苦地练习并忍受着和家人长时间分离的痛苦，每个人都想在竞争中努力成为第一个进入太空的美国人。最终，经过数年的准备，初次飞行的安排被确定下来：谢泼德将是第一个进入太空的美国人。
1961年5月5日，谢泼德身着臃肿的宇航服，在亿万双目光的关注下，钻进了“水星”飞船系列的“自由”7号，成为美国第一位进入太空飞行的宇航员。这次飞行非常顺利，全部飞行时间总共是15分22秒，其中失重状态5分4秒，飞行距离约480公里，飞行高度186公里。虽然这次飞行并未进入卫星轨道，但却是美国第一次把宇航员送入了太空，它证明“水星”飞船的构造和性能已经达到设计要求，完全可以承担起载人轨道飞行的使命。
1962年初，美国宇航局宣布，不久就要进行第一次载入轨道飞行的试验。这是水星计划最高潮的一幕。宇航员格伦被挑选为人类轨道飞行的第一人。
1962年2月20日，“水星—大力神”火箭狂吼着冲向了太空，准确地将“友谊”7号飞船送入了绕地球飞行的轨道。此时，格伦的心情激动不已，他正站在一个常人无可企及的位置上，观察着星辰的面貌、地球的容颜和日落的壮观……忽然，格伦发现飞船出现向西甩的现象，虽然能很快地自动纠正，但每次纠正都要消耗大量的燃料。格伦很快判断出是驾驶器生了毛病，没有办法，只得改由人力操纵飞行。这使预定计划中的两顿饭只好放弃了，预备拍的照片也大大地减少了，许多预定的观测工作也不得不停止。一波未平，一波又起。“水星计划”控制中心的测航仪器忽然发出了警报：“友谊”7号头部的隔热层壳体松脱，变成半开状态。这是一个十分危险的故障。如果这个隔热层壳体在飞船进入大气层之前或进入大气层时全部脱落，那么飞船和空气间的巨大摩擦所产生的高温，就会把整个飞船熔化掉。这一不幸的消息，使得地面控制中心的工作人员焦急万分，他们立即投入到紧张的研究之中，试图找出挽救的办法。此刻的格伦，正全神贯注地在太空做着各种试验和观测，而对于就要发生在眼前的危险却全然不知。“保留反射火箭箭座。”来自地面指控中心的指令把陶醉于试验之中的格伦一下子惊醒了过来。“这莫非是一个反常的指令？”他感到事情有些不好。“请解释一下指令。”格伦向地面询问。“请速发射反射火箭，切记保留箭座，否则隔热层壳体将会脱落，并速速返回。”从地面上传来了艾伦·谢泼德焦急的声音。格伦一切都明白了，但他却表现得极其冷静和镇定。他开始集中精力，严格按照地面控制中心的指令执行。还是地面专家们的判断正确，他们提出的方案发挥了重要作用。当飞船头部的反射火箭射出之后，由于保留了位于飞船头部中心的火箭底座，使箭座上的三条箍子箍住了隔热层壳体。随着大西洋一根水柱的激飞，格伦安全地回到了地球的怀抱。显示屏上清楚地显示，轨道飞行绕地球三圈，历时4小时55分23秒。当格伦被人们从船舱里救护出来时，在场的人们一下子狂欢起来，欢呼之声响彻云霄。
“水星”计划结束于1963年5月，共完成25次飞行试验，其中包括4次动物飞行，2次载人弹道飞行，4次载人轨道飞行，耗资约4亿美元。这一计划的实现为美国在太空竞赛中确定了立足点，并为以后的“双子星座”计划和“阿波罗”计划铺平了道路。
担负“水星”计划的水星飞船总长约2.9米，底部最大直径1.86米，重1.3～1.8吨，由圆台形座舱和圆柱形伞舱组成。座舱内只能坐一名宇航员，设计最长飞行时间为2天，飞行时间最长的一次为34小时20分，绕地球22周。
“双子星座”计划
“双子星座”计划是美国继水星计划之后，采取循序渐进的方式登陆月球的第二步。它的目的就是在“水星”计划的基础上，进一步为载人登月服务。就在苏联宇航员列昂诺夫第一次实现太空行走之后不久，美国宇航员怀特也走出“双子星座4号”飞船的密封舱，在太空行走了20分钟。列昂诺夫、怀特的太空行走，证明了人能够在真空、超低温、没有重力、充满宇宙射线和流星的十分危险的太空环境中停留、活动，并且不会丧失思维和工作能力。这为人类进一步挺进月球带来了喜讯。
从1965年3月到1966年11月，“双子星座”计划共进行了10次载人飞行。1965年6月3日，双子星座4号飞船发射，进行双子星座计划的第二次载人飞行。这次飞行任务由宇航员怀特和麦克迪维特承担，飞行时间增加到5天。在绕轨道第三圈时，怀特按预定计划在夏威夷上空打开舱门，进入了开放空间。他身上连了一根长索，利用小型机动系统，最远时离飞船3米左右，除身体有些旋转外，一切均正常。他手里拿着一支宇宙枪，不过枪里发出的不是子弹，而是高压气体，它产生的反作用力可以帮助宇航员调整位置。怀特在空中漫步了22分钟。他通过无线电耳机话筒与驾驶“双子星座”号飞船的人聊天，不时地靠宇宙枪从这里移到那里。他在舱外共活动了约21分钟。此次飞行，他们还进行了科学和技术实验，医学测试，利用弹力器来维持肌肉的弹性，而且拍摄了许多舱外活动和地球大气的照片。由于飞船上的计算机失灵，原定飞行121圈的任务没有完成，只飞行62圈，就于1965年6月7日返回地面。
“双子星座”计划的一个重要任务是实现轨道会合和对接。1965年12月4日和12月15日“双子星座7号”和“双子星座6号”分别进入太空，实现了太空会合，在间距只有40米的情况下持续飞行了7个多小时，最近时只有0.3米。尔后“双子星座8号”和“双子星座9号”的飞行任务都是与“阿金纳”火箭实现对接，但都未能实现。
1966年7月18日“双子星座10号”飞船载着约翰·杨和科林斯进入轨道，实现了与“阿金纳3号”的对接任务，完成了登月计划的关键技术。接着“双子星座11号”和“双子星座12号”飞船又分别实现了两次对接任务。至此“双子星座”计划圆满地实现了预定目标。
“双子星座”计划作为一项既是过渡性又是独立性的计划，取得了许多开创性的成就，也为“阿波罗”登月计划提供了极其宝贵的经验和科学技术成果。整个飞行期间，宇航员共进行了52项试验，在不同高度上拍摄了1400张地球的彩色照片，全面的研究了人在太空中长期工作和生活的情况。为航天技术人员及地面机组人员提供了发射火箭所需的大量的实践活动。到“双子星座12号”飞行结束时，美国宇航员已经有了2000小时的太空飞行记录，而此时苏联的飞行时数只有500多小时，美国至此开始领先于苏联。
1966年，执行“双子星座4号”任务的驾驶员怀特被选为第一次“阿波罗”计划飞行任务的指令舱驾驶员。不幸的是，计划中将于1967年2月发射的“阿波罗1号”于1月27日进行一次例行测试时，指令舱突然发生了大火，怀特与其他两名宇航员不幸遇难。
“阿波罗”登月
苏联于1957年抢先发射世界上第一颗人造地球卫星之后，又于1961年把人类第一名航天使者送上地球轨道。苏联在航天领域屡拿金牌，遥遥领先，大大刺激了技术力量雄厚的美国。为了打破苏联的航天优势，1961年，美国总统肯尼迪批准了航空航天局的登月计划，并在国会上大胆地提出了在1970年以前先于苏联把人送上月球的任务。肯尼迪以一种历届美国总统都没有的坦率态度警告美国人民，除非他们具有跑完全程的毅力，否则就不要接受这项任务。这项任务就是后来以希腊神话中的太阳神的名字命名的“阿波罗”登月计划。
其实“阿波罗”计划早在1957年便开始设想。1960年左右曾认为登月的途径无外乎两种：一种是“直接登上月球”，一种是从地球轨道发射站上发射。后来一个名叫霍博尔特的工程师提出了一个全然不同的月球轨道会合方案，就是用一艘比较小的航天飞船从月球轨道上下降到月球上，完成探险任务之后再在月球轨道上与母船会合对接，返回地球。经过一场激烈的内部大争论之后，霍博尔特的设想被采纳了。这一技术途径使“阿波罗”的登月着陆计划的实现至少提前了两年。
为研制大型运载火箭，著名的火箭专家布劳恩及其4人小组划归国家航空航天局。政府同时为“土星—5”号火箭的研制经费拨款1.4亿美元。在最初的登月舱设计中，在每位宇航员坐椅前方的舱壁上各安排了两个窗口。较大的一个舷窗口与宇航员的眼睛齐平。因宇航员是坐着的，窗口距宇航员的眼睛的距离为60厘米。较小的一个舷窗口靠近宇航员的膝盖。这样的设计很不理想。首先，由于舷窗的总面积过大，暴露的阳光太多，而缩小面积又会影响宇航员的视野；其次，由于窗口离宇航员的眼睛较远，视野非常有限，给月球着陆过程中宇航员对着陆地点情况的观察造成了极大的困难。此外，因为窗口大，重量也大，侵占了其他设备的重量。为了找到一个使窗口缩小、重量减轻、视野又好的合理的设计方案，设计师们绞尽脑汁，并经常为此争论不休。一天，航天局的一名工程师发牢骚说，登月舱从与服务舱、指挥舱分离到在月面上着陆总共只有1小时，甚至更短，为什么非得让宇航员坐着，站着难道不行吗？！“站着？”是的，站着！一句牢骚话为设计师们打开了思路。一个合理的新方案由此产生了。宇航员站着，可以使眼睛靠近窗口向外观察，视野大大地扩展了。在这种条件下窗口可以设计得很小，从而也减轻了重量。真是踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫！
实现首次载人登月，面临一系列的问题和困难。而首先要求回答的问题是，月球表面到底是什么样子？飞行器能在那里安全着陆吗？它能承受飞船和宇航员的质量而不使之陷入尘埃吗？最佳的降落着陆点应选在哪里？为了侦察月球上的情况，美国在1961—1967年间发射了一系列的自动月球探测器。其中包括9个“徘徊者”探测器，7个“勘察者”和5个“月球轨道飞行器”。3个型号的月球探测无人飞行器，先后对月球表面进行了大量拍摄、取回了月球土壤和岩石标本，考察了月球表面的坚实程度，并对适宜的着陆地点进行了反复的选择和测绘。到1967年年底，美国航宇局将有希望的登月地点筛选并剔剩到“静海”、“风暴海”等5处。
“阿波罗”号飞船主要由救生系统、指挥舱、发动机舱和登月舱组成。指挥舱是飞船的主体，是飞船的控制中心，也是整个飞船唯一返回地球的部分。在该舱的头部装有在地球上着陆的系统、反作用系统发动机、天线、救生系统和正面闸门；在舱的后部有反作用操纵系统发动机和燃料箱，因为它是宇航员工作和休息的主要舱室，所以这里还有通信、导航、控制计算机和显示仪器。救生系统飞船在发射阶段的60公里以下的脱险装置，一般是在飞船上升到80公里后将其抛掉。发动机舱内装有环境控制系统、推动系统、电源、通信、制导、姿态控制和变轨发动机设备。登月舱分为下降段和上升段两个结构，分别用来将2名宇航员降落到月球表面上和送回等候在月球轨道上的母船上。在指挥舱和登月舱之间有一个连接隧道，供宇航员过渡用。
“阿波罗”计划中要求最高的是可靠性问题。过去的飞行都是在地球轨道上，飞行中出现故障可以在几分钟内应急返回，然而“阿波罗”号要飞到离地球38万公里的月球上去，一旦出现故障需3天的时间方能返回地球。在极其恶劣的宇宙环境条件下这么长的时间意味着什么是显而易见的。因此，只能要求各方面严格把关，做到万无一失。为此除了在地面对所有元部件进行反复严格的考验外，在登月前又进行了一系列飞行试验，包括6次无人亚轨道和地球轨道飞行试验，1次载人地球轨道飞行试验和3次载人月球轨道试验。
