アレスI
2006年1月、NASAはオリオン宇宙船を少し小さくし、固体第1段に5個目のセグメントを追加し、SSMEをアポロ派生型のJ-2Xエンジンと置き換えることを発表した。4セグメントの第1段と5セグメント版は実質的に同じ物(もともと組み替え可能な構造だった)だが、5セグメントに変更する最大の理由はJ-2Xを採用する必要が生じたことだった。
ロケットダイン社が設計製造したJ-2Xの価格は2,000~2,500万米ドルで、複雑なSSME(5,500万米ドル)の半額以下だった。しかも現行のSSMEが地上で始動するように設計されているのに対し、J-2Xは最初から上空の真空に近い場所で始動するよう設計されていた。この空中始動能力は、特にアポロ宇宙船を月へ運んだサターンVのS-IVB段で使われた、オリジナルのJ-2ロケットで重要だった。一方SSMEは、空中始動や真空中再始動(オリオン宇宙船の燃料搭載量が制限されたので、アレスIが「直接投入」飛行手順を取るため)を可能にするには大幅な変更が必要である上、各オービターの初飛行前や1988年のSTS-26以前のフライトで行われていたように、「エンジンテスト」と同様の方法で事前に点火する必要があった。
第2段は、液体水素と液体酸素を推進剤とするJ-2Xロケットエンジンを使用する。そのJ-2XはサターンIBやサターンVに使われていたJ-2ロケットエンジンを基に開発される。2007年7月16日、NASAはロケットダイン社を、J-2Xエンジンの地上試験や飛行試験を行う単独契約者に選定した。 当初、NASAはスペースシャトルの主エンジン (SSME) を使用するつもりだったが、高価格(エンジン1台が5500~6000万米ドル)であること、エンジンを大気中でも真空中でも始動できるよう改修する必要があること、アレスIの上段は使い捨てであることから、コストがSSMEの数分の一(2000万米ドル)で、最初から高々度で使用するよう設計されているJ-2Xを使用することになった。
J-2Xエンジンは既存のJ-2エンジンを基にしているが、上段自体は完全に新規に開発される。当初は、スペースシャトル外部燃料タンクの内部構造を基にして、「インタータンク」によって燃料タンクと酸化剤タンクを分離した設計が用いられた。
2004年1月にブッシュ大統領がビジョン・フォー・スペース・エクスプロレーション(宇宙探検の展望)を提唱した後、2005年4月29日にNASAは、以下のことを決定するため、探査システム構成検討を開始した。 「月と火星の探査計画を支える人員と貨物の打ち上げシステムの、トップレベルの必要条件と構成」 「国際宇宙ステーションへ人員を輸送するための、有人探査船 (CEV) の必要条件と計画の査定」 「持続的な有人・無人月面探検活動を支える、月面探検のアーキテクチャコンセプトのリファレンス作成」 「これらリファレンス探検システムの可能性拡大と大幅な強化の鍵となる技術の特定」 シャトル派生型打ち上げアーキテクチャのひとつが、アレスIとしてNASAに選ばれた。当初、アレスIは第1段に4セグメントの固体ロケットブースター (SRB) を、第2段に簡素化したスペースシャトル主エンジン (SSME) を使用することになっていた。無人版では、現在の設計と同じく5セグメントのブースターを使用するが、第2段にはSSMEを1台使用することになっていた。
しかし、最初の設計が承認されてから間もなく、追加の試験によって、オリオン宇宙船は4セグメントのブースターで持ち上げるには重すぎることが判明した。