החללית אלטאיר תשתמש בדלק קריוגני לשלב הנחיתה על הירח ולשלב ההמראה ממנו, בניגוד לדלק היפרגולי (הניצת מעצמו), בו השתמשו בימי תוכנית אפולו. החללית אלטאיר תשתמש במערכת של הליום בלחץ גבוה על מנת להזרים את הדלק והמחמצן אל המנועים, ולא במשאבות, על מנת לצמצם את הסיכון לתקלה במערכת מורכבת של משאבות דלק וחמצן למנועים רקטיים.
תכנון המשימות של "אוריון", כפי שמסתמן כעת, יחייב את החללית אלטאיר להגיע לנחיתה בקוטב הדרומי של הירח, ממסלול בעל נטייה (אינקלינציה). על מנת לבצע את התמרון הדרוש, הצורך דלק רב, לא יהיה די במנוע הראשי של החללית אוריון, ועיקר הנטל של תמרון ושינוי מסלול יוטל על מנועי הנחיתה של החללית אלטאיר. ממפרטי החללית שפורסמו עולה כי היא תצויד בארבעה מנועים מטיפוס RL-10, אשר בהם נעשה כבר שימוש בשלב העליון של המשגר "אטלס 5". מנועים אלה שורפים מימן נוזלי ומשתמשים בחמצן נוזלי כמחמצן. לשלב ההמראה, ולמפגש עם החללית "אוריון" הממתינה במסלול ירחי, יידרש מנוע יחיד מאותו הסוג.
בתחילה חשבו בנאס"א לצייד את שלב ההמראה מהירח בחללית אלטאיר במנוע השורף מתאן נוזלי כדלק וחמצן נוזלי כמחמצן, מתוך מחשבה על שימוש עתידי בתכנון זהה של חללית לנחיתה והמראה ממאדים. בנאס"א בוחנים מזה שנים יחידת המרה שתעשה שימוש בפחמן הדו־חמצני המצוי באטמוספירה של מאדים לשם ייצור מתאן וחמצן, עבור מנועי החללית. בשלב זה, הטכנולוגיה של מנועי מתאן/חמצן אינה בשלה, והעלויות הגבוהות של יחידות ההמרה הביאו את נאס"א להחלטה להתבסס על דלק קריוגני לנחיתות על הירח. עם זאת, במשימות עתידיות של תוכנית "אוריון", יעשה שימוש במנועי מתאן/חמצן לשם הוכחת הטכנולוגיה, וצבירת ניסיון לקראת המשימות המאוישות למאדים.
שימושים.
כאמור, תפקידה העיקרי של אלטאיר הוא להנחית את האסטרונאוטים על הירח ולשגרם בחזרה לחללית אוריון, אך ניתן יהיה לנצלה כחללית מטען בלתי מאוישת, שתוכל להביא אל קרקע הירח אספקה וציוד לבסיס קבע מאויש על הירח שנאס"א מתכוונת לבנות.
משגרים.
שלא כמו מעבורות החלל והמשגר סטורן 5, אשר היה בשימוש בתוכנית אפולו, בהם הצוות והמטען שוגרו ביחד, בתוכנית קונסטליישן תוכננו שני טילי שיגור שונים - ארס 1 - שישגר את החללית אוריון ובתוכה הצוות, וארס 5 - שישגר את המטען. שיטה זו של הפרדת המטען והצוות בשיגור אמורה לייעל את רכבי השיגור במשימותיהם השונות.
ארס 1.
ארס 1 ובשמו הקודם (Crew Launch Vehicle (CLV, ישגר את החללית אוריון ואת צוות האסטרונאוטים למסלול לווייני נמוך (LEO) סביב כדור־הארץ, ומשם יתנתק הארס 1 מהחללית אוריון. הארס 1 יוכל להעלות כ־25 טונות למסלול לווייני נמוך.
בארס 1 יפעלו שני שלבי מנועים - בשלב הראשון יפעל מנוע דלק מוצק יחיד, ובשלב השני יפעל מנוע J-2X יחיד שייגזר ממנוע J-2 ששימש בשלב העזיבה של כדור הארץ במשגר סטורן 5. המנוע ישתמש בדלק נוזלי – שילוב של חמצן ומימן.
ארס 5.
ארס 5, ובשמו הקודם (Cargo Launch Vehicle (CaLV, יהיה הטיל החזק ביותר שנבנה אי־פעם ויוכל לשגר מטען של עד 188 טון למסלול נמוך סביב כדור־הארץ, ועד כ־77 טונות של מטען לטיסה לירח, הרבה מעבר ליכולות השיגור של מעבורות החלל וסטורן 5 שהטיס את חלליות אפולו לירח. ארס 5 ישגר את מכלול הנחיתה על הירח - החללית אלטאיר, ואת שלב העזיבה מכדור הארץ, שיאפשר לחללית אוריון לעזוב את כדור הארץ ולטוס לירח. בטיסה לירח, ארס 5 יפרוק את אלטאיר ושלב העזיבה של כדור הארץ למסלול נמוך סביב כדור הארץ, שם הם יחכו לחללית אוריון שתתחבר עליהם לטיסה לירח.
שלב העזיבה של כדור הארץ.
שלב העזיבה של כדור הארץ (באנגלית: Earth Departure Stage) הוא מערכת הנעה רקטית שתשוגר על ידי ארס 5 ולאחר התנתקותה מארס 5 בחלל והתחברות החללית אלטאיר לחללית אוריון, תטיס את החלליות אוריון ואלטאיר לירח.
אלטרנטיבות.
למשגרים ארס 1 וארס 5 הוצעו מספר אלטרנטיבות:
פריטים נוספים.
חליפות חלל חדשות.
כחלק מתוכנית קונסטליישן נאס"א עבדה על פיתוח של שני סוגי חליפות חלל חדשות, מאחר ששאר החליפות הקיימות לא ענו על הדרישות של תוכנית קונסטליישן.
רכב שטח ירחי.
לפני ביטול תוכנית קונסטליישן נאס"א עבדה על פיתוח של רכב שטח ירחי שנקרא LER ("רכב חשמלי ירחי" – Lunar Electric Rover). ה־LER תוכנן לפעילות חוץ רכבית על פני הירח. ה־LER יוכל להכיל שני אסטרונאוטים, אך במצבי חירום יוכל להכיל עד כארבעה אסטרונאוטים. ה־LER מורכב משני חלקים - השילדה ותא הנוסעים. בתוך תא הנוסעים האסטרונאוטים לא יצטרכו ללבוש חליפות חלל. הרכב מתוכנן כך שיהיה אפשר להשתמש בו גם ללא תא הנוסעים, ובמצב שכזה, האסטרונאוטים ישבו על גבי הרכב לבושים בחליפות חלל. ל־LER יהיו 12 גלגלים שיהיו מסוגלים להסתובב ב־360 מעלות, מה שיאפשר לרכב השטח הירחי לנוע בכל כיוון. רכב השטח הירחי יוכל לנוע גם במקומות בעלי תוואי שטח קשים ומסובכים.
סוגי המשימות.
תוכנית קונסטליישן כוללת משימות מסוגים שונים:
משימות לתחנת החלל הבינלאומית.
בטיסות למסלול לווייני נמוך ולמשימות שירות בתחנת החלל הבינלאומית, השיגור של החללית אוריון יערך על גבי טיל השיגור ארס 1, וללא שיגור נוסף של טיל המטען ארס 5. במשימות אלו, החללית אוריון תכיל שישה אסטרונאוטים, שהוא מספר האסטרונאוטים המרבי שהיא יכולה להכיל. בערך כשתי דקות לאחר ההמראה של ארס 1, שלב הדלק המוצק יתנתק (וימוחזר להמראות נוספות), ומנועי ה־J-2X יוצתו. לאחר כמה דקות נוספות בהם ישוחררו מארס 1 הכיסויים שמכסים את החללית אוריון, יכובו המנועים, והחללית תכנס למסלול לווייני נמוך. 45 דקות לאחר מכן, מנועי ה־J-2X יוצתו מחדש וישנו את מסלול החללית. לאחר מכן תתנתק החללית אוריון לחלוטין מטיל ארס 1 ותפרוש את הפאנלים הסולאריים שלה.
לאחר "מרדף" בן יומיים, החללית אוריון תגיע לתחנת החלל הבינלאומית ותעגון בה. האסטרונאוטים ישהו בתחנה לתקופה של בערך שישה חודשים, בה הם יבצעו את משימותיהם ומחקריהם. לאחר מכן החללית תתנתק מתחנת החלל הבינלאומית. בכניסה לאטמוספירה, תא השירות שבחללית אוריון יתנתק ויישרף באטמוספירה, בעוד תא הנוסעים של החללית, ובו האסטרונאוטים ימוגן על ידי מגן חום, שיאט את מהירות החללית מ־28,000 קמ"ש ל־480 קמ"ש ויגן על החללית והאסטרונאוטים מפני החום העצום שנוצר עקב החיכוך עם האוויר בנפילה. לאחר פתיחת המצנחים וכריות אוויר מיוחדות, החללית תנחת בחבטה. שלא כמו תא הנוסעים בתוכנית אפולו, תא הנוסעים בחללית אוריון יוכל להיות בשימוש עד כ־10 פעמים בנסיבות רגילות.
משימות מאוישות לירח.
שלא כמו בתוכנית אפולו, במשימות תוכנית קונסטליישן לירח תהיה הפרדה בין שיגור הצוות והחללית אוריון לבין שיגור המטען.
בתחילה, ישוגר המטען, שכולל את שלב העזיבה מכדור הארץ ואת חללית הנחיתה על הירח אלטאיר, על גבי טיל השיגור ארס 5. לאחר הגעתו של ארס 5 למסלול נמוך סביב כדור הארץ, יתנתק הטיל ומנועיו מן המטען, יפול ויישרף באטמוספירה. המטען עצמו, שלב העזיבה מכדור הארץ וחללית הנחיתה על הירח אלטאיר יחכו במסלול אורביטלי סביב כדור הארץ לחללית אוריון.
כשעה וחצי לאחר שיגור ארס 5, ישוגר ארס 1 ובתוכו החללית אוריון וצוות של ארבעה אסטרונאוטים. עם ההגעה לחלל תתנתק החללית אוריון מטיל ארס 1 ותתחבר עם חללית הנחיתה על הירח אלטאיר ושלב העזיבה מכדור הארץ. לאחר ההתחברות, יוצת המנוע של שלב העזיבה מכדור הארץ למשך כמה דקות בודדות, ויטיס את החללית אוריון ואת אלטאיר לכיוון הירח, לאחר מכן יתנתק שלב העזיבה מכדור הארץ מחללית אוריון ומאלטאיר ויחוג במסלול אורביטלי סביב השמש, או שיתרסק על הירח. הטיסה לירח תימשך כשלושה ימים.
עם ההגעה לירח, תיכנס החללית אוריון שמחוברת לחללית הנחיתה על הירח אלטאיר למסלול סביב הירח. לאחר מכן הצוות יכוונן את החללית אוריון לטיסה לא מאוישת סביב הירח, וייכנס לחללית הנחיתה על הירח אלטאיר. לאחר אישור מבקרת המשימה שבכדור הארץ, תתנתק אלטאיר מאוריון, ותנחת על הירח במקום שנקבע מראש. לאחר הנחיתה על הירח, הצוות יבצע את משימותיהם ומחקריהם בירח. לאחר ביצוע משימותיהם, הצוות ייכנס לשלב ההמראה מהירח שבחללית אלטאיר, וימריא לכיוון החללית אוריון. לאחר העגינה עם החללית אוריון, יעבור הצוות לאוריון, והחללית אלטאיר תתנתק ממנה ותתרסק על הירח. לאחר ההתנתקות מאלטאיר, מנוע ה־AJ-10 שעל החללית אוריון יוצת, והחללית תחזור לכדור הארץ בטיסה שתיארך כיומיים וחצי. עם ההגעה לכדור הארץ, יתנתק תא הנוסעים של החללית אוריון מתא השירות, שישרף באטמוספירה. מסלול הכניסה של תא הנוסעים של החללית אוריון לכדור הארץ אמור לעזור להאטת החללית (יחד עם מגן החום) וגם לאפשר לחללית לנחות בחוף המערבי של ארצות הברית. תא הנוסעים ימוגן על ידי מגן החום, ועם הגעה למהירות של בערך 480 קמ"ש יפתחו המצנחים וייתנפחו כריות אוויר מיוחדות, ותא הנוסעים של החללית אוריון ינחת על כדור הארץ.
בסיס קבע מאויש על הירח.
נאס"א תכננה להקים עד שנת 2024 בסיס קבע על הירח, שניתן יהיה לאייש אותו באסטרונאוטים באופן קבוע למשמרות של בין שלושה לשישה חודשים. ככל הנראה הקמת מוצב מאויש על הירח תחייב את נאס"א לשתף פעולה עם סוכנויות חלל אחרות, עקב התקציב הגבוה שהדבר ידרוש. מיקום הבסיס יהיה ככל הנראה באזורי הקטבים של הירח, מאחר שהם מוארים כמעט תמיד, דבר שחשוב מאוד אם דרך הפקת האנרגיה היא באמצעות אנרגיה סולארית. דרך אחרת ליצירת אנרגיה בבסיס הירחי הוא שימוש באנרגיה גרעינית. נאס"א תוכל להשתמש בחלליות אלטאיר לא מאוישות על מנת להעביר מצרכים וחומרים חיוניים לבסיס.
משימות מאוישות לאסטרואידים.