После того как конгресс принял решение о финансировании программы подготовки лунной экспедиции, в США был создан Комитет по ракетам-носителям. В него вошли руководители НАСА, Министерства обороны, ВВС и некоторых корпораций. Комитет предложил разработать ракету-носитель "Saturn С-3" в трехступенчатом варианте. По расчетам, "Saturn С-3" был способен вывести на околоземную орбиту около 50 т полезного груза, а к Луне — всего 13,5 т. Этого было недостаточно, и НАСА, поощряемое позицией президента, смело расширило фронт работ над перспективной ракетой-носителем "Saturn С-5".
Два научных коллектива НАСА — Центр пилотируемых аппаратов в Хьюстоне и Центр имени Маршалла в Хантсвилле — рассматривали самые разные схемы экспедиции. Инженеры Хьюстона предлагали простой "прямой" вариант полета. Огромная ракета стартует с Земли и выводит на межпланетную трассу ракету меньшего размера с кабиной на трех астронавтов. При подлете к Луне эта вторая двухступенчатая ракета разворачивается "хвостом вперед", включением двигателей нижней ступени гасит скорость и опускается на широко расставленные опоры посадочного устройства. После того как астронавты исследуют район посадки и вернутся в свой командный модуль, верхняя ступень ракеты взлетает с Луны и ложится на обратный курс. Командный модуль с астронавтами тормозится в атмосфере Земли, выпускает парашюты и садится в океан.
Однако для такого путешествия была нужна ракета исполинского размера — высотой более 100 м и массой примерно в 5000 т. Проект такой ракеты, получившей название "Nova", был одобрен еще президентом Дуайтом Эйзенхауэром. С января 1959 года по июль 1960 года команда Вернера фон Брауна изучила множество возможных компоновок "Nova" на основе жидкостных ракетных двигателей "F-1" и "J-2". Первые проекты ракеты "Nova" (например, "Nova-4L"), согласно расчетам, могли вывести на окололунную орбиту полезный груз порядка 24 т, поэтому носитель пришлось дорабатывать, увеличивая его габариты и количество двигателей на ступень. В конце концов получилось настоящее чудовище — высотой 66 м и со стартовой массой 3152 т. Создание подобной ракеты, по мнению оптимистов, уходило далеко за 1970 год, а потому в конце концов "Nova" была отвергнута.
У Вернера фон Брауна появилось контрпредложение, с которым будущий шеф Центра имени Маршалла выступил еще в 1952 году в журнале "Collier’s". Зачем, спрашивается, запускать весь лунный комплекс одной гигантской ракетой, если можно собрать его на околоземной орбите из частей, выведенных ракетами меньшего размера?.. Летом 1961 года, когда НАСА искало возможность выполнить задание президента Кеннеди в короткий срок, идея показалась очень привлекательной. Ведь меньшая по размерам ракета требовала более скромных стартовых сооружений и сокращала время на разработку и испытания.
Был еще третий вариант, обещавший максимальную экономию доставляемой к Луне массы, а значит, и минимум массы при запуске с Земли. На Луну нужно садиться в небольшом посадочном модуле, оставив на селеноцентрической орбите главный корабль с командным модулем и ракетной ступенью для полета к Земле. Первым, еще в 1916 году, к этой идее пришел русский ученый Юрий Кондратюк. Изучая советскую литературу по космонавтике (после запуска "Спутника-1" в НАСА создали специальную библиотеку, в которой хранились переводы доступных советских книг на эту тематику), инженер Джон Корнелиус Хуболт (р. 1919) из Центра Лэнгли НАСА ознакомился с этим необычным предложением и начал пробивать его в жизнь.
Первоначально новый вариант отказались даже рассматривать. Рассказывают, что Макс Фаже (1921–2004), создатель космического корабля "Mercury" и первого проекта корабля "Apollo", выслушав в декабре 1960 года доклад Хуболта, закричал: "Ваши цифры врут!" Однако Джон Хуболт не сдавался и продолжал убеждать всех, кто хотел его слышать. Шли месяцы, и идея овладевала массами.
Нарушая все правила субординации и деловой переписки, Хуболт сумел "достучаться" до руководителей НАСА. По заданию из Вашингтона в начале 1962 года команда Вернера фон Брауна просчитала вариант стыковки у Луны, а специалисты Хьюстона — сборки у Земли. Выяснилось, что для первого варианта достаточно одной ракеты "Saturn С-5", а для второго потребуются две.
11 июля 1962 года решение лететь на Луну с расстыковкой и стыковкой на селеноцентрической орбите было утверждено официально. С этого момента в составе лунного космического комплекса появилось два отдельных корабля: командно-служебный модуль (англ.: Command Service Module, CSM) и лунный модуль (англ.: Lunar Module, LM).