飛行方式 載人與載貨飛船會合于地球軌道
交通工具確定后，剩下的就是登月旅行的具體步驟。上個世紀60年代，航天工程師們在策劃首次登月時遇到的最大的技術難題就是如何在月球上著陸。為了得到最理想的計劃，工程師們拿出了諸多設想。
第一種方案是直接登陸：發射一枚火星8號大型火箭，航行并降落到月球表面，完成任務后飛回地球。但是，如果要完成全程飛行，目前火箭的大小尚無法攜帶足夠的燃料。另一種方案叫做“地球軌道會合”，即發射數架小型火箭，把探月之旅需要的器材分批送上太空。這些小型火箭將在地球軌道上會合，組合成一架大型宇宙飛船，但由于在太空組裝飛船的太多未知因素，這一設想在1962年被放棄。
最終，設計阿波羅號的工程師確定采納第三種方案———“月球軌道會合”：探月宇航員和需要的所有設備將被一枚土星5號火箭送上太空。離開地球軌道后，火箭第三級將朝月球飛去。進入月球軌道后，阿波羅號的指令艙和服務艙與著陸器進行分離。兩名宇航員將乘坐著陸器登陸月球表面，一名宇航員留守指令艙。著陸器返回月球軌道后，將與指令艙結合，載著宇航員返回地球。
40年后，美國宇航局的工程師也遇到了類似的選擇，新的登月步驟大致上和阿波羅號一致，但由于重返月球需要攜帶更多的宇航員和科學設備，其中又加入了“地球軌道會合”中的某些方案。
新的登月之旅中，一枚推進力強大的火箭將把著陸器和載貨艙送上太空，之后另一枚較小的火箭再把CEV送上太空，分別進入地球軌道后，CEV將與著陸器和載貨艙結合成一體。
之后，剩下的過程就大體和阿波羅號登月一樣。4名宇航員將乘坐著陸器登陸月球，一個星期后，著陸器將離開月球表面，再次和等待在月球軌道上的CEV會合，返回地球。進入大氣層之前，原本結合在一起的指令艙將拋棄服務艙，穿過大氣層后，它將利用降落傘在陸地上著陸。但在著陸前，指令艙會掠過太平洋上空，如果情況緊急，它也能在水上降落。
登月目標 環形山邊建立月球基地
科學家認為，再次登上月球的價值不僅在于讓人類進一步掌握月球的起源與地球的關系，更重要的則是以月球為跳板，探索離我們更遠的星球，因此建造月球基地將是登月的最終目的。
美國宇航局建議，從2018年開始，美國每年至少會進行兩次登月任務，先遣的宇航員將利用月球上一切可利用的資源，最后建造一個月球基地。基地就像目前在各國建在南極的科考站一樣，將包括生活區、電站和通訊系統。有了固定基地以后，宇航員便可以進行長期試驗，涉及的領域包括太空生物學、地理學、天文學和物理學等。還有一些研究會探索人類身體對低重力、高強度太陽輻射等外太空環境的反應。
目前，科學家已經找到了建造月球基地的首選理想地點———位于月球南極附近的沙克爾頓環形山。環形山的邊緣有80%的時間處于陽光的照射之下。距離該處只有10公里的位置還有兩個區域，總共有98%的時間處于陽光的照射之下。科學家的設想是把生產電力的太陽能設施放置在陽光充足的區域，并通過微波或電纜與之相連。這樣，位于沙克爾頓環形山邊緣的區域就可以得到幾乎源源不斷的太陽能供應。月球的北極比南極較為平坦，但是那里可能會有面積達1.3萬平方公里的永久性陰影區。
科學家還猜測，沙克爾頓環形山一帶有較高濃度的氫元素儲備，而氫是太空探測的主要燃料之一。同時在環形山內部的一些永久性陰影區可能藏有常年不化的冰。冰不僅可以滿足月球定居者的飲用水需要，還可以為太空飛船生產燃料。借助這些月球本身的資源，宇航員能夠建造發電、通訊和導航系統，當然還包括人類探索月球先驅的住所。可能被選作建造基地的地點還包括月球北極、月球背面的三處地點以及阿波羅號在1969年著陸的靜海。
月球基地必須擁有檢測月球物質、基地成員健康狀況和生活食品的試驗艙，一個生活艙，一個不加壓的儲藏艙，一個加工月球物質的小型化工廠，一個帶觀測室和氣閘門的連接艙以便宇航員出入月球表面，以及兩輛月球探險車。宇航員將駕駛探險車在月球貧瘠的表面尋找燃料和水。長期駐扎在月球基地的成員應當包括指令長、機械師、機械技師、醫生、地質學家、化學家和生物學家。基地成員每兩個月輪換一次。每次大約更換3到4名工作人員。
利用化工廠生產的產品和建筑材料，宇航員能將其擴建成為人類飛往火星的基地，將實驗室建設成為年產10萬噸產品生產能力的月球基地，當然，要實現后面的步驟則可能是下個世紀的事了。
遠景計劃 與機器人一同踏上火星
本月12日，美國宇航局成功發射一艘新型火星勘測軌道飛行器。它將在2006年3月進入火星軌道，之后調整到距離火星表面上空約190英里處圍繞火星飛行。如果任務成功，它將成為人類探索這顆紅色星球的又一大得力助手。利用其攜帶的精密照相機等儀器，勘測器能拍攝到火星表面最清晰的地貌細節，這能幫助科學家選擇人類登陸火星的理想地點。
目前已經在火星軌道和地表工作的勘測器不在少數：在火星軌道上有美國的火星全球勘察者、火星奧德賽和歐洲的火星快車。更引人注目的則是在火星表面“漫步”的勇氣號和機遇號火星車。雖然人類登陸火星計劃的具體實施要等到2020年以后，但是大致的設想現在已經開始逐步成型。
和登月相比，登陸火星顯然困難很多。月球距離地球只有數日的旅程，而前往火星的載人旅行單程都將花去半年時間。就規模來說，登月僅需要兩枚火箭，但載人探索火星則需要4到5枚大型火箭將載人飛行器和其他科學儀器送上太空。同時，土星5號火箭曾使用過的同類型強大推進力引擎可能被再次使用。而在載有6名宇航員的火星探索飛船升空之前，一個火星基地必須已經修建完畢。通過遠程控制系統，地球上的工程師將在火星上建造總部，電力、通訊系統，同時還要準備好一艘載人返航飛船。
降落到火星上后，宇航員將用500天的時間探索火星表面，進行研究。其中最受關注的就是找尋火星上可能存在的生命跡象。宇航員還將嘗試在火星的地表環境中尋找氧氣和水這兩大維持生命的要素，還會嘗試獲得液態氧和甲烷等主要燃料。火星探測飛船在升空階段引擎使用的是液態甲烷。由于火星大氣中存在少量甲烷，有科學家提出飛往火星的宇航員能自己收集返航的燃料。
為了給人類登上火星做好充分的準備，美國宇航局還將在2007年發射鳳凰號火星探測器。在2009年12月，美國宇航局還計劃發射一個名為“火星科學實驗室”的第三代重型火星車，它將于2010年10月抵達目的地。與勇氣號和機遇號相比，“火星科學實驗室”可以稱得上是“大個子”，其重量達600千克，約有一輛吉普車大小。車上將負載兩個實驗室，其中每個實驗室都包含著一個重達30千克的儀器艙。新火星車的穿行能力也將得到更多改善，它能夠在坡度為60度的斜坡上正常行駛；其能源供應也將從太陽能電池“升級”為核能，因而可大大增加漫游車的行程和使用壽命，提高開展活動的能力，其設計壽命為至少2年。
參與火星探測的科學家表示，美國宇航局希望在人類登上火星之前將這個紅色星球了解得越詳細越好。由于涉及更具體的任務，未來火星上的機器人也會各具特色。美國宇航局正在開發一種遙控飛行翼，它將成為在火星地表進行低空飛行的“火星滑翔機”。目前正在測試的飛行翼模型翼展2.4米，由太陽能提供動力。未來的火星飛行翼的翼展將增大到20米，并且具有可伸縮性。科學家們的希望讓這種飛行翼適應火星的環境，能夠在火星惡劣的天氣下順利飛行和著陸，以此來夠幫助工程師開發載人飛船安全著陸火星的系統。
由于依靠太陽能，火星飛行翼還有可能用作火星表面的發電站，為其他在火星表面著陸的探測設備提供能源。另一類火星機器人外表酷似蛇，它們的行動方式也像蛇一樣，能在火星沙漠上曲折前行；此外，為了適應火星荒漠，美國宇航局的噴氣推進實驗室還開發了“風滾草”機器人，它們有排球大小，能和風滾草一樣在沙漠靈活行動。
功能更強大的的火星機器人除了探測地表環境，收集數據，還能在程序的設定下建造適合人類居住的火星基地。在未來的火星地表，會有一種機器人外形類似建筑工地的鏟土卡車，但是它們更小巧靈活，而且能完全智能化工作。由于能在土壤或沙地上進行挖掘，這種機器人可以替代人類探索條件惡劣的地點或者幫助修建火星基地。
而當首批人類宇航員登上火星時，也很可能會有機器人與宇航員做伴，讓登陸火星更加安全。目前，美國宇航局艾姆斯實驗室的科學家和工程師們正在一個室內實驗室里計劃如何模擬月球和火星的地質及地形，并研究機器人在這種情況下如何幫助人類在月球和火星上建造基地、試驗設備及使用挖掘工具。科學家和工程師們正在試驗具有人類特點的RobonautB型機器人，他們希望太空機器人能接受人類宇航員的指令、做出類似人類的反應，在需要的時候提供建議或要求幫助，同時也有自己行動的能力。
面臨挑戰 外太空環境威脅宇航員健康及預算困境
當然，再宏大的探索計劃也不可避免地面臨著技術和現實挑戰。首要的問題就是如何在未知的外太空環境中保證宇航員的健康。
一直以來，科學家都非常擔憂有害的太陽射線對宇航員身體的危害。研究顯示，在地球低軌道上長時間停留的宇航員患致命癌癥的風險比常人高3%.而對于地球軌道之外的外層空間輻射的危害，科學家們還知之甚少。1972年8月的一次大規模太陽風暴是迄今為止被記錄的最強太陽輻射事件。工程師們則希望開發出能抵御四倍于那次輻射強度的CEV防護層。美國宇航局預測，擁有鋁制外殼的CEV將能把宇航員患癌癥的概率降低2.9%.
在已知技術和風險的范圍內，美國宇航局預測探索月球的整體事故危險相對較小。研究數據顯示，登月探險失敗的概率低于6.3%，宇航員遇到生命危險的概率為1.3%.而在1962年對阿波羅號登月計劃的評估顯示，宇航員遇到危險的概率是22%.
除了技術上的風險，由于政治因素的變化，登月計劃面臨很多現實問題。關于科研項目所需天文數字開銷的爭論早已經開始。到2025年，該項目估計將花費2170億美元。這僅比美國宇航局的太空探索部未來20年的財政總預算少70億美元，也就是說其全部財力幾乎都要用在登月計劃上。
為了保證不超出預算，美國宇航局局長麥克爾·格里芬在上任后的三個月里花了大量精力，把宇航局的主要精力集中到重返月球上。格里芬在6月28日對國會說：“我希望你們會看到一份有邏輯、簡單、直接的方案。”一位美國宇航局管理層的人士說：“我們不可能再像處理日常事務一樣對待登月計劃，格里芬很清楚這一點。為了達到目標，我們必須在財政和技術上更具創新意識。”
開銷最大的一個階段將是在航天飛機退役前的未來5年時間里，因為美國宇航局必須同時承擔航天飛機任務和開發新的飛行器。但宇航局高官認為，只要不超出預算，資金來源將會得到保障。
2006年，美國宇航局的財政預算將達到170億美元。如果未來20年宇航局每年的平均預算達到200億美元，那么在4000億美元的總預算中探月項目則占據了5成，達到54%.目前，美國宇航局的探月計劃已得到了白宮和國會的支持。要使藍圖成真，還需要經歷現實的考驗，它在最終實現前還需要得到3屆總統和5屆國會的批準。不過，支持探月計劃的人對此信心十足，正如一名參議員所說：“在一位有遠見的總統領導下，我相信人們會燃起太空探索的渴望。國會也會鼎力支持，因為國會反映的是美國人的愿望。”
