כשהתחילה תוכנית אפולו הייתה נאס"א רגישה מאוד לנושאי בטיחות. שיגור אדם אל הירח מסוכן הרבה יותר משיגור אדם למסלול סביב כדור הארץ. במקרה של בעיה במסלול סביב כדור הארץ, ניתן לנחות בקלות יחסית על ידי הפעלת מנועי האטה וחדירה לאטמוספירה, אך לאחר שחללית עוזבת את מסלול כדור הארץ, על מערכות החללית לפעול ללא רבב אם בכוונתה לנחות חזרה בכדור הארץ. נאס"א קבעה כי על רכיבי התוכנית לעמוד בהסתברות של 99% להשלמת המשימה ו־0.1% לאיבוד הצוות (הסיכון עסק ברכיבים בלבד ולא בתנאי המשימה).
החלטות טכניות ומבניות להבטחת אמינות ובטיחות החללית נעשו בעת פיתוח ובניית החללית אפולו. החלליות השתמשו בדלק היפרגולי, שניצת מיד עם מגעו במחמצן, וחוסך את הצורך במערכת הצתה מועדת לתקלות. שמירת הלחץ בחלליות נעשתה באמצעות גז הליום ולא באמצעות מערכת שאיבה העלולה להתקלקל. כדי להגביר את הבטיחות תכננה נאס"א לתת לאסטרונאוטים את הכלים והידע הדרושים לשם תיקון החללית בחלל או בירח, אך הדבר דרש אימונים מסובכים, למידת מערכות מסובכות ונשיאת כלי עבודה ורכיבי חילוף, ולכן הרעיון ננטש ב־1964. במקום זאת הוחלט להוציא את האסטרונאוטים לסיורים באתרי פיתוח ובניית החלליות ולשתפם בתוכניות הפיתוח.
החלליות צוידו במערכות גיבוי שיכלו לפעול פחות או יותר ברמתן של המערכות המקוריות. מערכת הניווט של רכב הנחיתה הירחי כללה מערכת גיבוי, שנבנתה על ידי חברה שונה מזאת שפיתחה את המערכת הראשית, זאת כדי להפחית את ההסתברות שאותה תקלה תחזור על עצמה. ארבעת אשכולות המנועים של מערכת בקרת הגישה של החללית היו בלתי תלויים אחד בשני, והיו יכולים לפעול כולם יחד או כל אחד בנפרד. מערכת הבקרה התרמית כללה גיבוי, כל המעגלים החשמליים שוכפלו, וכגיבוי לאנטנת התקשורת הראשית הותקנו שתי אנטנות קטנות יותר. הרכיב היחיד שעבורו לא ניתן היה ליצור גיבוי היה מנוע רכב הנחיתה הראשי, ובשל כך בוצעו מבחנים רבים בתנאים ריאליסטיים ככל הניתן, כדי לספק את רמת הבטיחות שנדרשה מרכיב זה.
ברקע: התוכנית הסובייטית לכיבוש הירח.
מאז שיגור ספוטניק 1 באוקטובר 1957 הובילה תוכנית החלל הסובייטית, ומנהיגיה שאפו שברית המועצות תקדים את ארצות הברית במרוץ לחלל. למנהיגי ארצות הברית, וכן לציבור הרחב, לא היה ספק שברית המועצות תיזום תוכנית חלל מאוישת לחקר הירח במטרה לנחות עליו ולזכות ביוקרה הנלווית. ואולם, נשמעה הצהרה יחידה בלבד של מנהיג סובייטי ב־1961 בדבר כיבוש הירח, ומאז לא התגלה אף מידע נוסף בקשר לתוכנית שכזו. בעקבות זאת, מספר נציגים בקונגרס האמריקאי החלו לערער על הצורך בתקציב גדול כל כך לתוכנית. מנהלי נאס"א לעומת זאת, שחששו כי הסובייטים יגיעו לירח לפניהם, הפעילו לחץ על לוח הזמנים של התוכנית, במטרה לשגר משימה אל הירח מוקדם ככל האפשר. ישנם הטוענים שזוהי הסיבה שבגללה שוגרה אפולו 8 בסוף 1968 לטיסה סביב הירח, טיסה שלא הייתה מתוכננת בלוח הזמנים המקורי של התוכנית (פירוט בהמשך). בשנה שלאחר מכן ירד הלחץ, וביולי 1969 שוגרה אפולו 11 ונחתה על הירח. במהלך שנות ה־70 של המאה ה־20 לא נחשף אף מידע אודות תוכנית סובייטית לכיבוש הירח, ולאחר "ההתפכחות" מתוכנית אפולו כתב העיתונאי האמריקאי וולטר קרונקייט כי תוכנית אפולו הייתה מיותרת מפני ש"הסובייטים כלל לא השתתפו במרוץ". רק בסוף שנות ה־80, עם הנהגת מדיניות הגלאסנוסט בברית המועצות, החל להופיע מידע אודות התוכנית הסובייטית, ועם התפרקות ברית המועצות בתחילת שנות ה־90, התפרסם מידע רב אודות התוכנית.
הסתבר, כי בתחילת שנות ה־60 של המאה ה־20 החלה תוכנית החלל המאוישת של ברית המועצות, שהובילה עד אז על פני ארצות הברית, להיכנס לקיבעון. סרגיי קורוליוב, מגדולי מהנדסי החלל הסובייטים, החל לתכנן את משגר ה־N-1 הענק, שדרש את פיתוחם של מנועים קריוגניים שישתמשו במימן (בדומה למשגרי הסטורן). אך ולנטין גלושקו, שהיה אחראי על פיתוח מנועים לתוכנית החלל הסובייטית, סירב לפתח מנוע שכזה. ביוני 1961 ביקש מזכירו הראשי של נשיא ברית המועצות ניקיטה חרושצ'וב מ"יריבו" של קורוליוב, ולדימיר צ'לומיי, לפתח משגר חדש, הפרוטון, וחללית ירחית, ה־LK, שישמשו למשימה סביב הירח. קורוליוב בתגובה הציע להנחית אדם על הירח באמצעות חללית סויוז ונחתת L3. רק ב־3 באוגוסט 1964, 3 שנים אחרי ההכרזה על תוכנית אפולו, הורה חרושצ'וב להתחיל להוציא לפועל את התכנונים ולהצטרף למרוץ לכיבוש הירח: תוכנית זונד, שהשתמשה במשגרי פרוטון ודגמים ראשוניים של החללית סויוז לשיגור בעלי חיים למסלול סביב הירח, ותוכנית N1-L3 שיועדה להנחית קוסמונאוטים על הירח. אך עם הדחתו של חרושצ'וב מתפקיד הנשיאות וכניסתו לתפקיד של ליאוניד ברז'נייב באוקטובר אותה שנה באו עיכובים נוספים ולא הוקצו תקציבים מתאימים לתוכניות.
קורוליוב מת ב־1966, והדבר פגע קשות בתוכנית. המחסור בתקציב הוסיף לקשיים אלה, ותוכנית פיתוח ה־N-1 עמדה מול בעיות רבות (4 שיגורים כושלים בין 1969 ל־1971). כל אלה הובילו לנטישת התוכנית הסובייטית לנחיתה מאוישת על הירח ב־2 במאי 1974. עם זאת, משגר הפרוטון וחללית הסויוז הפכו להצלחה כבירה ודגמים משופרים שלהם משמשים עד היום לשיגור משימות רובוטיות ומאוישות לחלל כחלק מתוכנית החלל הרוסית.
רכיבי התוכנית.
החללית.
תכנונים ראשונים של החללית אפולו החלו ב־1960 וכללו תא פיקוד המתאים לשלושה אנשי צוות הנתמך על ידי תא שירות המספק דלק, מערכות חשמליות ומערכות קיום חיים. בתכנונים אלו תא השירות היה יכול להיות מותאם לסוג המשימה, למשל משימת אספקה לתחנת חלל, משימה אל הירח ועוד. כשהפכה הנחיתה על הירח למטרה רשמית החלו תכנונים מפורטים של תא הפיקוד/שירות (בקיצור CSM), בו ישהה הצוות בכל מהלך המשימה כולל הנחיתה על הירח (שיטת ה־LOR עוד לא נבחרה אז).
הבחירה הסופית בשיטת ההיפגשות במסלול סביב הירח (LOR) גרמה לשינוי יעוד ה־CSM שהפך למעין "מעבורת" שתיקח את הצוות למסלול סביב הירח כאשר חללית חדשה שתוכננה, רכב הנחיתה (ובקיצור LM), תישא שניים מאנשי הצוות אל קרקע הירח ואז חזרה אל ה־CSM, שתמתין במסלול סביב הירח, ותחזיר את הצוות כולו חזרה אל כדור הארץ.
תאי הפיקוד והשירות (CSM).
תא הפיקוד (Command Module ובקיצור CM) היה תא הצוות, אשר הוקף בחרוט מכוסה במגיני חום. מטרתו הייתה לשאת את האסטרונאוטים מהשיגור ועד לנחיתה באוקיינוס. ככזה, הוא היה לרכיב היחיד בחללית אפולו שתכנוניו הראשוניים שרדו במהלך התוכנית ללא שינויים תצורתיים משמעותיים עם התקדמות התוכנית. תא הפיקוד כלל מנועים קטנים לתמרון, תעלת עגינה ומעבר ממנו אל רכב הנחיתה, ומערכות הנחיה, ניווט ובקרה של החללית.
לתא הפיקוד חובר תא השירות (Service Module ובקיצור SM). תא השירות, שצורתו גלילית, כלל את המנוע הראשי ואת הדלק להפעלתו, מערכות חשמל, מנועים קטנים לתמרון, אנטנה לתקשורת בתדר S לטווח רחוק, ומכלי מים וחמצן. בשלוש משימות הירח האחרונות בתוכנית אפולו נשא תא השירות גם חבילת מערכות מחקר. מפני שתצורת תא השירות נבחרה לפני בחירת שיטת ה־LOR, הוא צויד במנוע ראשי שהיה לו היכולת לשגר את תא השירות מהירח, כוח שהיה כפול מזה שנדרש לכניסה וליציאה ממסלול סביב הירח.
מפני שתא הפיקוד ותא השירות היו מחוברים אחד לשני במשך רוב המשימה שניהם יחד היו למעין "מעבורת" שנודעה כתא הפיקוד/שירות (Command/Service Module ובקיצור CSM) שנשאה רכב נחיתה ירחי נפרד (שמשקלו היה כמחצית ממשקל ה־CSM), ואת האסטרונאוטים חזרה לכדור הארץ. זמן קצר לפני החדירה לאטמוספירה היה תא השירות "מושלך" ורק תא הפיקוד לבדו היה חודר לאטמוספירה מוגן על ידי מגיני החום שלו, שהתפוררו במהלך החדירה. לאחר החדירה נפרשו שלושה מצנחים שהאטו את תא הפיקוד עד לנחיתה רכה באוקיינוס (המכונה "splashdown").
חברת נורת' אמריקן אוויאיישן זכתה בחוזה לבניית תאי הפיקוד והשירות, יחד עם השלב השני (S-II) של משגר הסטורן V עבור נאס"א. היחסים בין נאס"א לנורת' אמריקן אוויאיישן הפכו למתוחים במהלך החורף של שנת 1966–1965 בעקבות משלוחים מאוחרים, בעיות איכות ובעיות תקציב בשני הרכיבים. היחסים הפכו למתוחים יותר כעבור שנה כאשר שרפה שפרצה בתא הפיקוד של משימת אפולו 1 גרמה למותם של שלושת אנשי הצוות. ועדת החקירה מצאה כי השרפה נגרמה בעקבות קצר חשמלי במערכות החשמל של תא הפיקוד. בעוד הטלת האחריות על האסון הייתה מסובכת, ועדת החקירה סיכמה כי "ליקויים היו קיימים בתכנון תא הפיקוד, בבנייתו ובביקורת האיכות שלו".
מערכת המילוט של החללית אפולו נועדה לנתק את תא הפיקוד של החללית מהמשגר במקרה חירום. המערכת כללה "מגדל מילוט" שהורכב בחרטום תא הפיקוד, שהיה בעצם משגר קטן מונע בדלק מוצק. אם זוהתה תקלה חמורה במשגר בעודו עומד על כן השיגור, או באמצע הנסיקה, הוצת מגדל המילוט והסיט את תא הפיקוד ממסלול המשגר וטווח הפיצוץ הצפוי שלו. המגדל היה מעלה את תא הפיקוד לגובה ממנו ניתן היה להצניח את התא; אז שוחרר התא מהמגדל וצנח לאוקיינוס האטלנטי. אם התבצע השיגור כמתוכנן, היה מגדל המילוט מושלך בגובה 56 ק"מ עם היפרדות השלב הראשון. בגובה זה היה תא הפיקוד היה בגובה מספיק כדי לאפשר לו לצנוח בבטחה במקרה חירום בכוחות עצמו, ללא צורך במגדל המילוט.
רכב הנחיתה (LM).