航天飞机一旦投入商业应用，“空间实验室”就势必会成为它的“老顾客”和“大主顾”。航天飞机可以把更大的载荷送上太空，组装成太空站，最后形成一个航天飞机—太空站系统。这个重要的系统一旦建立，航天飞机就可以根据需要随时发射并停靠在太空站上，为太空站输送人员和各种设备。1983年11月28日，“哥伦比亚”号航天飞机升空，进行了长达10天零8小时的飞行，它首次把欧洲“空间实验室”送入轨道，完成了70多个试验项目。
“空间实验室”是科学家们理想中奇妙的实验场所，是令人瞩目的成就：“高能天体物理天文台”用来研究太阳和其他星体的活动周期、太阳系的演化、物质的起源；太阳物理空间实验室，通过对太阳风和高能粒子的研究来考察太阳和地球的相互作用；“大气层、磁层和空间等离子体计划”，研究地球的电磁场体系、质点和波的相互作用，以及与物体在极稀薄的等离子中运动有关的各种物理特性；生命科学—生物学空间实验室，将研究空间环境对动物组织、植物组织、细菌和细胞的作用，并且探讨生物学和医学在空间环境中发展的趋向和潜力……
在众多的空间实验室计划中，最令人瞩目的是材料科学实验室，因为空间环境对于新的材料工艺具有令人难以置信的优越条件，主要一点就是在空间中几乎没有重力，重力的消失将会带来完全崭新的情况。在地球上，密度大的物质往下沉，密度小的物质向上浮，重力把分子拉开，因而造成杂质缺陷和裂纹，使材料的强度降低，电性能变坏。但是，到了空间，这个问题不再存在，高强度的材料就很容易制造取得，效率更高、寿命更长的涡轮叶片；不消耗电能的永久磁铁；不用模具而固化、性能极为奇妙的新型陶瓷和玻璃，这些都将在材料科学实验室里被制造出来。
没有人能够预言，当重力从物质性质的方程式消失的时候，最后将会出现什么样的奇迹；更没有人能够预言，在航天飞机出现后的明天，会出现什么难以想象的奇迹。
五、“阿波罗”登月：人类“登天”的壮举
1.美利坚之梦成真
60年代初，美国在太空竞赛中，屡屡败给苏联。1959年，双方进行着激烈的载人太空飞行竞赛的同时，苏联又把目标对准了月球。1959年元月2日，苏联成功发射“月球1号”无人探测器，重361.3公斤，没有命中月球，而是从距月球表面7500公里高处掠过月球，成了历史上太阳系的第一颗人造行星。9月12日，“月球2号”命中月球表面，这是人类的第一个到达月球的使者，在历史上第一次实现从一个天体到另一个天体的飞行。紧接着，重278公斤的“月球3号”于10月4日发射，三天后它绕到月球的背面，拍摄了40分钟的月球背面照片。胶卷在探测器里自动洗印后，照片由无线电送回地面。由于月球绕地球公转周期与其自转周期相同，所以月球总是有其固定的一面对着地球。苏联是历史上第一个获得月球背面的照片的国家，并据以绘制了月球背面的地图。
前苏联加加林首闯太空的消息传来后一个多月时间里，美国就下定了登月决心。1961年5月25日，肯尼迪向国会作了特别演说，正式宣布“阿波罗”登月计划。他说：
“由于苏联首先开始发展大型火箭，使他们有相当一段时间的领先；同时可以看出在最近的未来他们将继续在此方面发展并获得重大成就。因此，无论如何，现在我们应该开展我们的新计划……我认为我国在这10年间应完成送人上月球，并且安全地返回地球等计划。我相信我们必定会登上月球。”
只可惜这位积极推进“阿波罗”计划的年轻总统后来被暗杀身亡，没能看到人类第一次登上月球的壮举。欢迎返回地球的登月英雄的已是尼克松总统了。
究竟用什么方法登上月球呢？肯尼迪的国会报告后几个月，专家们先后提出了五种登月方案。经过唇枪舌剑的论战，综合权衡了所费时间、经费和安全性，宇航局认为霍博特博士提出的第五种方案是最好的方案。
这个方案大体是这样的：用一具“土星5号”火箭，将载有三人的“阿波罗”飞船从地面上发射到太空，飞船飞向月球，进入月球轨道后，从飞船上放出一艘月艇，载着两名宇航员向月球着落，第三名宇航员留在母船上，驾驶船绕月运行。登月宇航员结束月面工作后，利用登月艇的下半截作发射架，再次开动艇上火箭，从月面升上月球轨道，去与母船会合、对接。对接成功后，两名登月宇航员过渡到母船里，再将母船与登月舱分开，登月舱被弃置于月球轨道。母船开动火箭，返航地球。这个方案的优点很多，可以减轻登月船的重量和返航飞船的重量。因而可以利用较少的燃料做到登月和安全返回地球。
1962年7月11日，美国宇航局决定采用“月球轨道会合”登月方案。
2.与月亮女神预约
由于地月相距约38万公里，加之地球大气层对人们观测月亮的影响，人们从地球上无法看清月亮的真面目。月亮对地上的人说来，就像戴了神秘的面纱。
究竟能否安全登上陌生的月球，当时人们心中并不清楚。
1959年12月21日，美国确定了“徘徊者”月球探测计划，目的是使无人探测器命中月球，在撞月之前的降落过程中，无人探测器将对月面作电视摄像、传回地面，而后，把月震测量仪送到月面上。“徘徊者”计划，是美国探测月球的第一步。
1964年7月28日发射的“徘徊者7号”，第一次获得成功。它命中了预定的着落点“云海”，在硬着陆前17分钟里，它的6架电视摄像机拍了4308张月面的近距离照片，这些照片被无线电传回地球，它们显示了小到直径1米左右的月面坑穴和一些直径不到30厘米的岩石。这些月面特征，是从地球上用望远镜无法看到的。
接着，1965年又发射了“徘徊者8号”和“徘徊者9号”，都非常成功，向地球发回了12951张高质量的月球照片。2月17日发射的“徘徊者8号”命中“静海”，3月24日发射的“徘徊者9号”坠落在“云海”附近的火山区。
这样，“徘徊者”计划宣告完成，把对月球正面的探测向前推进了一大步。参加这个计划的有5万人，全部费用是2.6亿美元，每次发射费用为2800万美元。
“徘徊者”拍到的月球正面照片，澄清了有关月球表面性质的一些争论，人们确信月面许多平坦区可供登月舱降落。但是，人们无法肯定月面是否足够坚固，能否支持15吨重的登月舱。人们也不清楚，月球表面是否布满尘土，是否多孔易碎，火山是否活动。这些疑问，需要另一种探测器在月球上软着陆后的探测结果来回答。在“徘徊者”计划之后，美国又成功地搞了“勘测者”月球无人探测工程。
加州理工学院研制的第二代月球无人探测器“勘测者”号，是有三只脚的月球软着陆器，发射时重约1吨，落在月球时重270公斤。在快到月面时，它上面的逆射火箭开动，实现整体在月球上的软着陆。
1966年5月30日，“勘测者1号”发射，飞了63.3小时，在月面“风暴海”软着陆成功，4分钟后，它的旋转式电视摄像机开动了，在漫长的月球之夜降临前，它向地面发回了11150张黑白照片。这些照片的分辨率很高，可以辨认月面上1～2毫米的物体。这些照片表明，月球表面看来像是一种土壤，没有深厚的灰尘层，地面和地中有岩石块和土块，可以承受登月舱的降落。
到1968年一共发射了6只“勘测者”号，除了2号和4号失败外，其余4只都很成功。它们除了拍照，还用小铁锹在月面上挖沟，用辐射线方法分析月球土壤，取得了月球表面物理、化学方面的数据。最后一只“勘测者”是1968年1月9日降落在月球上的。到此，该计划结束，美国实现了无人探测计划的第二步，得出结论说：“对人类的行走来说，月面并不过于柔软；对登月飞船的着陆来说，也不过于坚硬。月球的土壤具有粘着力，有一种像潮湿石砂似的感觉。”
为了选择安全的登月地点，美国又发射了“月球轨道飞行者1号”探测器于1966年8月10日从地面发射，4天后到达距月亮4600公里位置时，逆向火箭开始喷射，探测器成了月球的卫星，轨道近月点为208公里，远月点为1855公里，它在月球轨道上空飞行，集中拍摄赤道以南9处预定的登月地点。为了拍摄月面详细情况，8月21日它的近月点降为56公里，25日降为40公里。“月球轨道飞行者1号”，共拍了215张月面照片和另外2张从月球附近看地球的照片。依据地面发出的指令，10月29日，探测器上的火箭再次点火，使它撞上月球。这是为了防止它和以后的探测器的信号发生混淆。
以后，每隔3个月，“月球轨道飞行者”就发射1次，一直发射到第五号，都获成功。其中4号和5号飞越月球的南北极上空。1967年8月，美国完成了月球无人探测的第三步。到此也就结束了月球无人探测的说法。
整个无人探测计划，验证了登月的可能性，绘出了精确的月面地图，到1967年底，为第一次登月选择了5个最有希望的登陆点。
为防止月面的高温把月球图纸烧毁，宇航局用特殊的耐热塑料制成了月球地图，供登月宇航员使用。
4.双子星座计划：研究登月的技术
1963年5月，美国开始了双子星座计划，目的是研究人类登月所必需的技术和试验人类在太空中飞行的耐力。
双子星飞船一共制造了12艘，分别用高27米，重136吨，推力35吨的大力神2型火箭发射。
最初两艘双子星座飞船的飞行，并不载人，目的是对大力神2型火箭和双子星座飞船进行飞行试验。1号于1964年4月8日发射入轨，2号于1965年元月发射入轨。两次无人驾驶飞船的发射和重返大气层的试验，表明火箭性能稳定，飞船能耐住返回地球的考验。
1965年一共发射入轨了5只双子星座太空船，主要是为了逐渐延长飞行时间。“水星计划”的最长飞行时间是一天半，而双子星座4号就延长到4天，双子星座5号飞行了8天，到7号，延长到了14天，在当时，这是惊人的记录。这表明，人类完全可以禁受前往月球的长时间太空飞行。
此外，1965年双子星座载人飞行还试验了宇航员外出到太空漂游及太空船编队飞行。1965年6月3日发射的4号飞行了4天，绕地球62圈。飞第二圈时，怀特利用喷枪喷气推力，在舱外太空里作了20分钟的“漫步”，在太空里聊天、说笑和拍照。太空“漫步”，除了试验宇航员在太空中的工作能力外，还对宇航服的安全性进行试验。
第一次编队飞行是由6号和7号实现的。1965年12月4日，以飞行两个星期为目标，将7号射入轨道。宇航员是鲍曼和拉斐尔。11天后，即12月15日，又成功地将6号射入轨道。发射后6小时，6号飞了4圈，距离7号只有30米远了。随后，6号飞船逐渐接近了7号，最近的接近距离为1米，两艘飞船的宇航员可以通过窗口相互看清对方的面孔。在以后的5个半小时里，两只飞船保持数米距离，编队飞行，绕地球4圈。第二天，6号先返回地面，7号继续完成了飞行14小时的目标，而后返回地球。
1966年，又成功发射了5号双子星座飞船，侧重于试验宇航服和会合时对接技术以及宇航员操纵飞船的本领。
1966年3月16日，先发射了无人飞船“阿金那B”进入轨道，然后又将双子星座8号送入轨道，宇航员是阿姆斯特朗和斯科特。
8号一进入轨道，就去追“阿金那B”飞船，飞了4圈后，终于接近了它。在宇航员的操纵下，8号的突起的鼻部成功地插入“阿金那B”的对接口里，首次对接获得成功。可是，对接不久，8号的姿控小火箭的一支错误地点火，急速地喷射气流，使得飞船乱跳乱转起来。接到地面返航命令后，阿姆斯特朗镇静地设法将飞船与“阿金那B”分开，而后成功地返回地球。他们在太空里飞了不到一天时间。
1966年6月3日发射9号飞船入轨，宇航员是斯塔福德和塞尔南，他们驾驶飞船用三种不同方法和一个目标会合，没有能进行对接试验，因为目标的对接口没有从保护罩中露出来。在返回地球前，6月6日，塞尔南在太空“漫步”了128分钟，以试验宇航服的可靠性和人在太空中的活动能力。
1966年7月18日，约翰·扬和柯林斯乘10号飞船作了三天飞行，他们先与自己的目标靶“阿金那B”会合，又追上8号的目标靶，与之会合。最后，他们和自己的“阿金那B”实现了对接。这次飞行中，柯林斯先后两次出舱，共活动了87分钟。
1966年9月12日发射入轨了11号飞船，宇航员是康拉德和戈登，他们飞了近三天时间。他们先和一只“阿金那”对接，然后开动了“阿金那”上的主火箭发动机，将对接体推进到更高的轨道。戈登出舱活动了44分钟，又打开舱盖130分钟。
最后一次发射的双子星座飞船12号是1966年11月11日进入轨道的，先进行了会合对接试验，而后奥尔德林出舱活动了149分钟，又两次打开舱盖，半露出身体在太空中进行照相。这样，奥尔德林露在太空中的时间有5个半小时。
双子星座计划是阿波罗计划的一个分方案，10次载人飞行都完成了各自的飞行目的，考验了人在太空中行走和长时间飞行的耐力，试验改进了宇航服。同时，也考验了地面设施和宇航工程管理队伍，这些是阿波罗计划的精彩一页。
