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Il programma Apollo fu un programma spaziale statunitense che portò allo sbarco dei primi uomini sulla Luna. Concepito durante la presidenza di Dwight Eisenhower e condotto dalla NASA, Apollo iniziò veramente dopo che il presidente John Kennedy dichiarò, durante una sessione congiunta al Congresso avvenuta il 25 maggio 1961, obiettivo nazionale il far "atterrare un uomo sulla Luna" entro la fine del decennio. Questo obiettivo fu raggiunto durante la missione Apollo 11 quando, il 20 luglio 1969, gli astronauti Neil Armstrong e Buzz Aldrin sbarcarono sulla Luna, mentre Michael Collins rimase in orbita lunare. Apollo 11 fu seguita da ulteriori sei missioni, l'ultima nel dicembre 1972, che portarono un totale di dodici uomini a camminare sul nostro satellite naturale. Questi sono stati gli unici uomini a mettere piede su un altro corpo celeste. Il programma Apollo si svolse tra il 1961 e il 1975 e fu il terzo programma spaziale di voli umani (dopo Mercury e Gemini) sviluppato dall'agenzia spaziale civile degli Stati Uniti. Il programma utilizzò la navicella spaziale Apollo e il razzo vettore Saturn, successivamente utilizzati anche per il programma Skylab e per la missione congiunta americana-sovietica Apollo-Soyuz Test Project. Questi programmi successivi sono spesso considerati facenti parte delle missioni Apollo. Il corso del programma subì due lunghe sospensioni: la prima dopo che nel 1967 un incendio sulla rampa di lancio di Apollo 1, durante una simulazione, causò la morte degli astronauti Gus Grissom, Edward White e Roger Chaffee; la seconda dopo il viaggio verso la Luna di Apollo 13 nel 1970 durante il quale si verificò un'esplosione sul modulo di servizio che impedì agli astronauti la discesa sul nostro satellite e li costrinse ad un rischioso rientro sulla Terra. L'Apollo segnò alcune pietre miliari nella storia del volo spaziale umano che fino ad allora si era limitato a missioni in orbita terrestre bassa. Il programma stimolò progressi in molti settori delle scienze e delle tecnologie, tra cui avionica, informatica e telecomunicazioni. Molti oggetti e manufatti del programma sono esposti in luoghi e musei di tutto il mondo ed in particolare presso il National Air and Space Museum di Washington.

La realizzazione di una missione spaziale umana su Marte è uno degli obiettivi a lungo termine fissati dall'astronautica fin dal suo inizio. Ritenuta inizialmente un tema della fantascienza, è diventata per alcuni scienziati, in seguito allo sbarco dell'uomo sulla Luna avvenuto nel 1969, la prossima fase dell'esplorazione dello spazio. Tuttavia il successo di questo progetto richiede risorse finanziarie ancora ben al di sopra di quelle del programma Apollo, che si era realizzato in presenza di una combinazione particolarmente favorevole di circostanze: la guerra fredda e la ripresa economica. Il volo con equipaggio su Marte è anche una sfida tecnica e umana di dimensioni incomparabili rispetto a quella che si è affrontata per il volo verso la Luna. Infatti entrano in gioco dei fattori quali la dimensione di una nave spaziale destinata alla spedizione, il sistema di supporto vitale a circuito chiuso destinato a funzionare per almeno 900 giorni e la garanzia di una prolungata affidabilità. Inoltre vanno presi in considerazione anche i problemi psicologici di un equipaggio confinato in un piccolo spazio in un ambiente stressante, i problemi fisiologici derivanti dall'assenza di gravità per periodi prolungati e l'effetto delle radiazioni sul corpo umano.

L'esplorazione spaziale è l'esplorazione materiale dello spazio eseguita mediante veicoli spaziali, con o senza equipaggio a bordo. Rientra all'interno dell'astronautica.

L'esplorazione della Luna è avvenuta sia attraverso sonde robotiche, sia direttamente tramite equipaggi umani. La prima missione per l'esplorazione della Luna è stata la sonda Luna 1 lanciata dall'Unione Sovietica nel 1959 nell'ambito del Programma Luna. La missione eseguì un sorvolo ravvicinato del satellite, ma "mancò" la superficie, obiettivo che venne raggiunto il 14 settembre 1959 dalla successiva Luna 2. Nell'ottobre del 1959 la sonda sovietica Luna 3 ottenne la prima immagine della faccia nascosta. Sempre all'Unione Sovietica spetta il primato del primo lander (Luna 9, 1966) e del primo orbiter (Luna 10, 1966). Gli Stati Uniti risposero con i Programmi Pioneer e Ranger e, grazie al Programma Apollo, riuscirono con l'Apollo 11 a compiere il 20 luglio 1969 il primo atterraggio umano sulla superficie della Luna. Durante le missioni Apollo furono raccolti e portati sulla Terra 381,7 kg di campioni del suolo e delle rocce lunari. Nonostante il successo delle missioni Apollo, l'interesse dell'opinione pubblica statunitense per l'esplorazione lunare calò notevolmente e ciò determinò l'interruzione anticipata del Programma Apollo e la cessazione di missioni dedicate esplicitamente all'esplorazione della Luna. Il processo di esplorazione è ripreso nel 1990 con la prima missione giapponese, Hiten, seguita nel 1994 dalla statunitense Clementine. Proprio l'individuazione di possibili tracce di ghiaccio d'acqua in prossimità dei poli lunari da parte di quest'ultima ha generato un rinnovato interesse per la Luna che negli anni duemila ha condotto al lancio di missioni lunari da parte delle agenzie spaziali statunitense, europea, giapponese, cinese ed indiana. La Cina, la Russia e gli Stati Uniti, inoltre, hanno reso noto di voler riportare un equipaggio umano sulla superficie lunare e di valutare l'opportunità di stabilirvi una base di ricerca permanente.

Gli insediamenti umani permanenti su corpi celesti diversi dalla Terra sono un tema ricorrente della fantascienza. Col progredire della tecnologia e col crescere dei dubbi sulla sostenibilità a lungo termine della crescita della popolazione umana, l'idea della colonizzazione della Luna o di altri pianeti per alcuni sembra essere un obiettivo fattibile e utile. Per via della sua vicinanza alla Terra e della sua geografia ben studiata, la Luna sembra essere il candidato ideale per una colonia umana nello spazio, tuttavia il programma Apollo, pur avendo dimostrato la fattibilità del viaggio, ha raffreddato gli entusiasmi per la realizzazione di una colonia lunare perché i campioni di roccia e sabbia riportati sulla Terra hanno dimostrato la quasi assenza sulla superficie lunare di quegli elementi chimici leggeri che sono essenziali per sostenere la vita. Alcune delle maggiori agenzie spaziali prevedono un ritorno sulla Luna con missioni umane attorno al 2030, tra queste la NASA nel 2024 con il programma Artemis e l'agenzia spaziale cinese in collaborazione con l'ESA e con Roscosmos.

L'Apollo 8 fu la seconda missione con equipaggio del programma spaziale statunitense Apollo. La navicella venne lanciata il 21 dicembre 1968 e divenne la prima con a bordo degli uomini a lasciare l'orbita della Terra, a raggiungere la Luna, ad orbitare intorno ad essa ad una distanza di 384 000 km dalla Terra e tornare in sicurezza sulla stessa. I tre astronauti membri dell'equipaggio – il comandante Frank Borman, il pilota del modulo di comando James Lovell e il pilota del modulo lunare William Anders – divennero pertanto i primi esseri umani ad uscire dalla gravità terrestre, a poter osservare la Terra nella sua interezza, ad entrare nel campo gravitazionale di un corpo celeste diverso dalla Terra (la Luna), a vedere con i propri occhi il lato nascosto della Luna, ad essere testimoni dallo spazio di un'alba terrestre e a rientrare nel campo gravitazionale terrestre. Per il lancio, la missione utilizzò il razzo Saturn V, al suo terzo volo, il primo con equipaggio. Fu il primo lancio con equipaggio effettuato dal Kennedy Space Center, Florida, situato nei pressi della Cape Canaveral Air Force Station. Originariamente prevista per l'inizio del 1969 come una missione in orbita terrestre media per testare il modulo lunare e il modulo di comando, il profilo venne modificato nell'agosto del 1968 verso l'obiettivo più ambizioso, anche perché il modulo lunare non era ancora pronto per il primo volo. Ciò determinò un accorciamento di due o tre mesi rispetto a quanto inizialmente previsto della durata di addestramento e preparazione dell'equipaggio. L'Apollo 8 impiegò tre giorni per raggiungere la Luna. Orbitò intorno ad essa dieci volte nel corso di 20 ore, durante le quali l'equipaggio effettuò una trasmissione televisiva in occasione della vigilia di Natale durante la quale lessero i primi 10 versetti del libro della Genesi. All'epoca, la trasmissione risultò il programma televisivo più osservato della storia. Il successo della missione Apollo 8 aprì la strada all'Apollo 11 che portò a termine l'obiettivo del presidente americano John F. Kennedy di portare un uomo sulla superficie lunare prima della fine degli anni sessanta. Gli astronauti dell'Apollo 8 fecero il loro ritorno sulla Terra il 27 dicembre 1968, quando la loro navicella spaziale ammarò nel nord dell'Oceano Pacifico.

Apollo 17 è stata l'undicesima e ultima missione con equipaggio umano del programma spaziale Apollo della NASA. Il lancio del razzo vettore Saturn V avvenne il 7 dicembre 1972 alle 05:33:00 UTC da Cape Canaveral, Florida, con a bordo un equipaggio composto da tre astronauti: il comandante Eugene Cernan, il pilota del modulo di comando Ron Evans e il pilota del LEM e geologo Harrison Schmitt (l'unico scienziato-astronauta a mettere piede sul suolo lunare). Ad oggi si tratta dell'ultimo volo spaziale con equipaggio umano a superare l'orbita terrestre bassa e l'unico lancio notturno di tutto il programma Apollo. Schmitt rimane l'ultimo uomo ad aver messo piede sul suolo lunare, mentre Cernan l'ultimo ad averne lasciato la superficie.Apollo 17 fu anche la terza missione di "tipo J", caratterizzata da una permanenza di tre giorni sulla Luna, da un'intensa serie di studi scientifici e dall'utilizzo del terzo rover lunare per gli spostamenti degli astronauti sulla superficie. Nonostante la somiglianza con le due precedenti missioni, Apollo 15 e 16, gli obiettivi raggiunti e gli esperimenti effettuati, nonché la presenza di un geologo a bordo, hanno reso questa missione unica rispetto alle altre.Mentre Evans rimase in orbita a bordo del modulo di comando, Cernan e Schmitt raggiunsero la superficie lunare allunando nella valle Taurus-Littrow. Durante la loro permanenza compirono tre attività extraveicolari in cui raccolsero diversi campioni lunari e utilizzarono strumentazioni scientifiche. Cernan, Evans e Schmitt rientrarono a Terra il 19 dicembre, dopo una missione della durata di circa 12 giorni.La possibilità di analizzare materiale lunare di un altopiano più antico dell'impatto che aveva condotto alla formazione del Mare Imbrium, fu una delle ragioni principali che condusse alla scelta della valle Taurus-Littrow; inoltre, i pianificatori della missione ritenevano che da lì sarebbe stato possibile raggiungere un sito nel quale si supponeva che si fosse verificata dell'attività vulcanica. La valle inoltre offriva una migliore copertura orbitale e la possibilità di un efficiente utilizzo del rover.Apollo 17 superò anche diversi record stabiliti dalle missioni precedenti, tra cui il più lungo soggiorno sulla superficie della Luna, la durata complessivamente più lunga delle attività extraveicolari lunari, la più alta quantità di campioni raccolti e la più lunga permanenza in orbita lunare.

Apollo 11 fu la missione spaziale che portò i primi uomini sulla Luna, gli astronauti statunitensi Neil Armstrong e Buzz Aldrin, il 20 luglio 1969 alle 20:17:40 UTC. Armstrong fu il primo a mettere piede sul suolo lunare, sei ore più tardi dell'allunaggio, il 21 luglio alle ore 02:56 UTC. Aldrin arrivò 19 minuti dopo. I due trascorsero circa due ore e mezza al di fuori della navicella, e raccolsero 21,5 kg di materiale lunare che riportarono a Terra. Il terzo membro della missione, Michael Collins (pilota del modulo di comando), rimase in orbita lunare mentre gli altri due erano sulla superficie; dopo 21,5 ore dall'allunaggio, gli astronauti si riunirono e Collins pilotò il modulo di comando Columbia nella traiettoria di ritorno sulla Terra. La missione terminò il 24 luglio, con l'ammaraggio nell'Oceano Pacifico. Lanciata da un razzo Saturn V dal Kennedy Space Center, il 16 luglio alle 13:32 UTC, Apollo 11 fu la quinta missione con equipaggio del programma Apollo della NASA. La navicella spaziale Apollo era costituita da tre parti: un Modulo di Comando (CM) che ospitava i tre astronauti ed è l'unica parte rientrata a Terra, un modulo di servizio (SM), che forniva il modulo di comando di propulsione, energia elettrica, ossigeno e acqua, e un Modulo Lunare (LM). La navicella entrò in orbita lunare dopo circa tre giorni di viaggio e, una volta raggiunta, gli astronauti Armstrong e Aldrin si spostarono sul modulo lunare Eagle con cui discesero nel Mare della Tranquillità. Dopo aver messo piede sulla Luna e aver effettuato la prima passeggiata lunare della storia, gli astronauti utilizzarono lo stadio di ascesa di Eagle per lasciare la superficie e ricongiungersi a Collins sul modulo di comando. Sganciarono, quindi, Eagle prima di effettuare le manovre che li avrebbero portati fuori dall'orbita lunare verso una traiettoria in direzione della Terra dove ammararono nell'Oceano Pacifico il 24 luglio dopo più di otto giorni nello spazio. La prima passeggiata lunare fu trasmessa in diretta televisiva per un pubblico mondiale. Nel mettere il primo piede sulla superficie della Luna Armstrong commentò l'evento come "un piccolo passo per [un] uomo, un grande balzo per l'umanità". Apollo 11 concluse la corsa allo spazio intrapresa dagli Stati Uniti e dall'Unione Sovietica nello scenario più ampio della guerra fredda, realizzando l'obiettivo nazionale che il presidente degli Stati Uniti John F. Kennedy aveva definito il 25 maggio 1961 in occasione di un discorso davanti al Congresso degli Stati Uniti: "prima che finisca questo decennio, di far atterrare un uomo sulla Luna e farlo tornare sano e salvo sulla Terra".

Con il termine allunaggio si intende la discesa di un veicolo sulla Luna: si distingue tra allunaggio duro, cioè un impatto che comporta la distruzione del veicolo, e allunaggio morbido, cioè l'impiego di razzi frenanti che permettono al veicolo di arrivare intatto sulla superficie lunare. Il programma Luna, partito nel 1959 con la sonda Luna 2, inviò il primo veicolo riuscito ad impattare con il satellite. Luna 9, il 3 febbraio 1966, eseguì il primo atterraggio morbido sulla Luna. Il primo allunaggio di un essere umano, il 20 luglio 1969, fu quello di Neil Armstrong, comandante della missione Apollo 11, e di Buzz Aldrin, mentre il loro compagno Michael Collins, rimasto in orbita, controllava il modulo di comando Columbia.