飞行方式 载人与载货飞船会合于地球轨道
交通工具确定后，剩下的就是登月旅行的具体步骤。上个世纪60年代，航天工程师们在策划首次登月时遇到的最大的技术难题就是如何在月球上着陆。为了得到最理想的计划，工程师们拿出了诸多设想。
第一种方案是直接登陆：发射一枚火星8号大型火箭，航行并降落到月球表面，完成任务后飞回地球。但是，如果要完成全程飞行，目前火箭的大小尚无法携带足够的燃料。另一种方案叫做“地球轨道会合”，即发射数架小型火箭，把探月之旅需要的器材分批送上太空。这些小型火箭将在地球轨道上会合，组合成一架大型宇宙飞船，但由于在太空组装飞船的太多未知因素，这一设想在1962年被放弃。
最终，设计阿波罗号的工程师确定采纳第三种方案———“月球轨道会合”：探月宇航员和需要的所有设备将被一枚土星5号火箭送上太空。离开地球轨道后，火箭第三级将朝月球飞去。进入月球轨道后，阿波罗号的指令舱和服务舱与着陆器进行分离。两名宇航员将乘坐着陆器登陆月球表面，一名宇航员留守指令舱。着陆器返回月球轨道后，将与指令舱结合，载着宇航员返回地球。
40年后，美国宇航局的工程师也遇到了类似的选择，新的登月步骤大致上和阿波罗号一致，但由于重返月球需要携带更多的宇航员和科学设备，其中又加入了“地球轨道会合”中的某些方案。
新的登月之旅中，一枚推进力强大的火箭将把着陆器和载货舱送上太空，之后另一枚较小的火箭再把CEV送上太空，分别进入地球轨道后，CEV将与着陆器和载货舱结合成一体。
之后，剩下的过程就大体和阿波罗号登月一样。4名宇航员将乘坐着陆器登陆月球，一个星期后，着陆器将离开月球表面，再次和等待在月球轨道上的CEV会合，返回地球。进入大气层之前，原本结合在一起的指令舱将抛弃服务舱，穿过大气层后，它将利用降落伞在陆地上着陆。但在着陆前，指令舱会掠过太平洋上空，如果情况紧急，它也能在水上降落。
登月目标 环形山边建立月球基地
科学家认为，再次登上月球的价值不仅在于让人类进一步掌握月球的起源与地球的关系，更重要的则是以月球为跳板，探索离我们更远的星球，因此建造月球基地将是登月的最终目的。
美国宇航局建议，从2018年开始，美国每年至少会进行两次登月任务，先遣的宇航员将利用月球上一切可利用的资源，最后建造一个月球基地。基地就像目前在各国建在南极的科考站一样，将包括生活区、电站和通讯系统。有了固定基地以后，宇航员便可以进行长期试验，涉及的领域包括太空生物学、地理学、天文学和物理学等。还有一些研究会探索人类身体对低重力、高强度太阳辐射等外太空环境的反应。
目前，科学家已经找到了建造月球基地的首选理想地点———位于月球南极附近的沙克尔顿环形山。环形山的边缘有80%的时间处于阳光的照射之下。距离该处只有10公里的位置还有两个区域，总共有98%的时间处于阳光的照射之下。科学家的设想是把生产电力的太阳能设施放置在阳光充足的区域，并通过微波或电缆与之相连。这样，位于沙克尔顿环形山边缘的区域就可以得到几乎源源不断的太阳能供应。月球的北极比南极较为平坦，但是那里可能会有面积达1.3万平方公里的永久性阴影区。
科学家还猜测，沙克尔顿环形山一带有较高浓度的氢元素储备，而氢是太空探测的主要燃料之一。同时在环形山内部的一些永久性阴影区可能藏有常年不化的冰。冰不仅可以满足月球定居者的饮用水需要，还可以为太空飞船生产燃料。借助这些月球本身的资源，宇航员能够建造发电、通讯和导航系统，当然还包括人类探索月球先驱的住所。可能被选作建造基地的地点还包括月球北极、月球背面的三处地点以及阿波罗号在1969年着陆的静海。
月球基地必须拥有检测月球物质、基地成员健康状况和生活食品的试验舱，一个生活舱，一个不加压的储藏舱，一个加工月球物质的小型化工厂，一个带观测室和气闸门的连接舱以便宇航员出入月球表面，以及两辆月球探险车。宇航员将驾驶探险车在月球贫瘠的表面寻找燃料和水。长期驻扎在月球基地的成员应当包括指令长、机械师、机械技师、医生、地质学家、化学家和生物学家。基地成员每两个月轮换一次。每次大约更换3到4名工作人员。
利用化工厂生产的产品和建筑材料，宇航员能将其扩建成为人类飞往火星的基地，将实验室建设成为年产10万吨产品生产能力的月球基地，当然，要实现后面的步骤则可能是下个世纪的事了。
远景计划 与机器人一同踏上火星
本月12日，美国宇航局成功发射一艘新型火星勘测轨道飞行器。它将在2006年3月进入火星轨道，之后调整到距离火星表面上空约190英里处围绕火星飞行。如果任务成功，它将成为人类探索这颗红色星球的又一大得力助手。利用其携带的精密照相机等仪器，勘测器能拍摄到火星表面最清晰的地貌细节，这能帮助科学家选择人类登陆火星的理想地点。
目前已经在火星轨道和地表工作的勘测器不在少数：在火星轨道上有美国的火星全球勘察者、火星奥德赛和欧洲的火星快车。更引人注目的则是在火星表面“漫步”的勇气号和机遇号火星车。虽然人类登陆火星计划的具体实施要等到2020年以后，但是大致的设想现在已经开始逐步成型。
和登月相比，登陆火星显然困难很多。月球距离地球只有数日的旅程，而前往火星的载人旅行单程都将花去半年时间。就规模来说，登月仅需要两枚火箭，但载人探索火星则需要4到5枚大型火箭将载人飞行器和其他科学仪器送上太空。同时，土星5号火箭曾使用过的同类型强大推进力引擎可能被再次使用。而在载有6名宇航员的火星探索飞船升空之前，一个火星基地必须已经修建完毕。通过远程控制系统，地球上的工程师将在火星上建造总部，电力、通讯系统，同时还要准备好一艘载人返航飞船。
降落到火星上后，宇航员将用500天的时间探索火星表面，进行研究。其中最受关注的就是找寻火星上可能存在的生命迹象。宇航员还将尝试在火星的地表环境中寻找氧气和水这两大维持生命的要素，还会尝试获得液态氧和甲烷等主要燃料。火星探测飞船在升空阶段引擎使用的是液态甲烷。由于火星大气中存在少量甲烷，有科学家提出飞往火星的宇航员能自己收集返航的燃料。
为了给人类登上火星做好充分的准备，美国宇航局还将在2007年发射凤凰号火星探测器。在2009年12月，美国宇航局还计划发射一个名为“火星科学实验室”的第三代重型火星车，它将于2010年10月抵达目的地。与勇气号和机遇号相比，“火星科学实验室”可以称得上是“大个子”，其重量达600千克，约有一辆吉普车大小。车上将负载两个实验室，其中每个实验室都包含着一个重达30千克的仪器舱。新火星车的穿行能力也将得到更多改善，它能够在坡度为60度的斜坡上正常行驶；其能源供应也将从太阳能电池“升级”为核能，因而可大大增加漫游车的行程和使用寿命，提高开展活动的能力，其设计寿命为至少2年。
参与火星探测的科学家表示，美国宇航局希望在人类登上火星之前将这个红色星球了解得越详细越好。由于涉及更具体的任务，未来火星上的机器人也会各具特色。美国宇航局正在开发一种遥控飞行翼，它将成为在火星地表进行低空飞行的“火星滑翔机”。目前正在测试的飞行翼模型翼展2.4米，由太阳能提供动力。未来的火星飞行翼的翼展将增大到20米，并且具有可伸缩性。科学家们的希望让这种飞行翼适应火星的环境，能够在火星恶劣的天气下顺利飞行和着陆，以此来够帮助工程师开发载人飞船安全着陆火星的系统。
由于依靠太阳能，火星飞行翼还有可能用作火星表面的发电站，为其他在火星表面着陆的探测设备提供能源。另一类火星机器人外表酷似蛇，它们的行动方式也像蛇一样，能在火星沙漠上曲折前行；此外，为了适应火星荒漠，美国宇航局的喷气推进实验室还开发了“风滚草”机器人，它们有排球大小，能和风滚草一样在沙漠灵活行动。
功能更强大的的火星机器人除了探测地表环境，收集数据，还能在程序的设定下建造适合人类居住的火星基地。在未来的火星地表，会有一种机器人外形类似建筑工地的铲土卡车，但是它们更小巧灵活，而且能完全智能化工作。由于能在土壤或沙地上进行挖掘，这种机器人可以替代人类探索条件恶劣的地点或者帮助修建火星基地。
而当首批人类宇航员登上火星时，也很可能会有机器人与宇航员做伴，让登陆火星更加安全。目前，美国宇航局艾姆斯实验室的科学家和工程师们正在一个室内实验室里计划如何模拟月球和火星的地质及地形，并研究机器人在这种情况下如何帮助人类在月球和火星上建造基地、试验设备及使用挖掘工具。科学家和工程师们正在试验具有人类特点的RobonautB型机器人，他们希望太空机器人能接受人类宇航员的指令、做出类似人类的反应，在需要的时候提供建议或要求帮助，同时也有自己行动的能力。
面临挑战 外太空环境威胁宇航员健康及预算困境
当然，再宏大的探索计划也不可避免地面临着技术和现实挑战。首要的问题就是如何在未知的外太空环境中保证宇航员的健康。
一直以来，科学家都非常担忧有害的太阳射线对宇航员身体的危害。研究显示，在地球低轨道上长时间停留的宇航员患致命癌症的风险比常人高3%.而对于地球轨道之外的外层空间辐射的危害，科学家们还知之甚少。1972年8月的一次大规模太阳风暴是迄今为止被记录的最强太阳辐射事件。工程师们则希望开发出能抵御四倍于那次辐射强度的CEV防护层。美国宇航局预测，拥有铝制外壳的CEV将能把宇航员患癌症的概率降低2.9%.
在已知技术和风险的范围内，美国宇航局预测探索月球的整体事故危险相对较小。研究数据显示，登月探险失败的概率低于6.3%，宇航员遇到生命危险的概率为1.3%.而在1962年对阿波罗号登月计划的评估显示，宇航员遇到危险的概率是22%.
除了技术上的风险，由于政治因素的变化，登月计划面临很多现实问题。关于科研项目所需天文数字开销的争论早已经开始。到2025年，该项目估计将花费2170亿美元。这仅比美国宇航局的太空探索部未来20年的财政总预算少70亿美元，也就是说其全部财力几乎都要用在登月计划上。
为了保证不超出预算，美国宇航局局长麦克尔·格里芬在上任后的三个月里花了大量精力，把宇航局的主要精力集中到重返月球上。格里芬在6月28日对国会说：“我希望你们会看到一份有逻辑、简单、直接的方案。”一位美国宇航局管理层的人士说：“我们不可能再像处理日常事务一样对待登月计划，格里芬很清楚这一点。为了达到目标，我们必须在财政和技术上更具创新意识。”
开销最大的一个阶段将是在航天飞机退役前的未来5年时间里，因为美国宇航局必须同时承担航天飞机任务和开发新的飞行器。但宇航局高官认为，只要不超出预算，资金来源将会得到保障。
2006年，美国宇航局的财政预算将达到170亿美元。如果未来20年宇航局每年的平均预算达到200亿美元，那么在4000亿美元的总预算中探月项目则占据了5成，达到54%.目前，美国宇航局的探月计划已得到了白宫和国会的支持。要使蓝图成真，还需要经历现实的考验，它在最终实现前还需要得到3届总统和5届国会的批准。不过，支持探月计划的人对此信心十足，正如一名参议员所说：“在一位有远见的总统领导下，我相信人们会燃起太空探索的渴望。国会也会鼎力支持，因为国会反映的是美国人的愿望。”
