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  阿波羅11號的發射現場吸引了超過一百萬的人群,全世界觀看發射現場直播的觀眾人數也達到了創記錄的六億人。理查德·尼克森總統在白宮橢圓形辦公室裡觀看了現場直播。  裝載著阿波羅11號的土星5號火箭於當地時間1969年7月16日9時32分(13時32分英語:UTC)在肯尼迪航天中心發射升空,12分鐘後進入地球軌道。環繞地球一圈半後,第三級子火箭點火,航天器開始向月球航行。30分鐘後,指令/服務艙從土星5號分離,在轉向後與登月轉接器中的登月艙連線。此後航天器進入地月轉移軌道,前往月球。  阿波羅11號於7月19日經過月球背面,很快點燃了主火箭並進入了月球軌道。在環繞月球的過程中,三名宇航員在空中辨認出了計劃中的登月點。  阿波羅11號的登陸點在寧靜海南部,在英語:Sabine D環型山西南20公里處。這個登陸點被選擇的原因是它比較平整(來自於遊騎兵8號、測量員5號以及月球軌道器提供的資訊),也就不會在降落和艙外活動時製造太多困難。登陸之後,阿姆斯特朗把登陸點稱做“靜海基地”。  7月20日18:11UTC,當飛船在月球背面時,呼號為“鷹號”的登月艙從呼號為“哥倫比亞號”的指令艙中分離。科林斯獨自一人留在“哥倫比亞”上,在鷹號繞垂直軸旋轉時仔仔細細地檢查了一遍,以確保這個飛行器一切正常。檢查過後,科林斯做了一個簡單的告別手勢——“兩位多加保重”——便離開了。科林斯的任務是留在指令艙中並繞月球環行,在以後的24個小時中只能監測控制中心與鷹號之間的通訊並祈禱登月一切順利。如果鷹號發生了意外並且不能夠從月面起飛的話(可能性極大),科林斯就只能獨自一人返回地球。  很快,阿姆斯特朗和奧爾德林啟動了鷹號的推進器並開始下降。他們很快意識到它“飛過頭”了:他們向月面降落時,表明電腦過載的警報器開始響起。鷹號在下降彈道中多飛了4秒,也就是說登月點會離計劃西面若干公里遠。導航計算機出現了若干次異常的程式警報。在休斯頓的約翰遜太空中心,飛行控制指揮官史蒂夫·貝爾斯(英語:Steve Bales)面臨著一個關鍵的、一剎那間的抉擇——終止登月計劃(這也意味著終止整個飛行計劃,因為飛行器上的燃料僅夠進行一次嘗試),或者命令宇航員按照計劃行動,不要理會登月艙電腦出現的問題。貝爾斯後來承認,他是“憑著直覺”允許阿姆斯特朗嘗試登月的。重新開始注意窗外之後,阿姆斯特朗發現他們正處在一塊岩石和一片硬地之間。計算機失靈導致他們飛過了預選著陸區,而燃料也很快就要耗盡了。此時,阿姆斯特朗選擇了手動控制登月艙。登月艙不斷下降,燃料開始耗盡——登月艙位於月面上空大約9米,所剩燃料僅夠用30秒鐘——阿姆斯特朗在遍佈礫石和隕石坑的月面冷靜地找到一處適合於著陸的地方,並駕駛登月艙穩穩地降落在月球上。準確的登陸時間是1969年7月20日下午8時17分43秒(UTC協調世界時)。  阿姆斯特朗和奧爾德林互相看了一眼,會心地笑了。休斯頓飛行控制中心內鴉雀無聲,大家都在靜靜地等待著。終於,他們聽到了阿姆斯特朗的聲音:“休斯頓,這裡是靜海基地。‘鷹’著陸成功。”飛行控制中心頓時爆發出一陣熱烈的歡呼聲。在登月艙裡,阿姆斯特朗和奧爾德林把手伸過儀表盤,默默地握了一下。  登月過程中的程式警報是“執行溢位”,意味著導航電腦無法在規定時間內完成預定任務。後來發現,溢位的原因是登月艙的對接雷達在降落時沒有關閉,使計算機仍然監視並不在使用的雷達。由於在緊急關頭的一句“繼續”,史蒂夫·貝爾斯後來獲得了一枚總統自由勳章。  降落後不久,在艙外活動的準備工作開始之前,奧爾德林通過無線電向地球念道: 作為共濟會的成員,奧爾德林接下來進行了聖餐禮,使人類在月球上第一個吃的食品是聖餐。奧爾德林將他所進行的聖餐禮保密,甚至都沒有告訴他的妻子,因為阿波羅8號宇航員在月球軌道中唸的《創世記》使航空航天局被無神論者麥達琳·默裡·歐黑爾起訴。

  奧爾德林先爬進了登月艙,之後兩名宇航員一起用一種叫做月面器材傳送帶的扁平索滑輪裝置費力地將拍攝的膠片和2個裝有21.55公斤月面樣本的盒子運進登月艙。阿姆斯特朗隨後跳上爬梯的第三級,並爬進了登月艙。為了減輕登月艙上升級的重量以返回繞月軌道,兩名宇航員在轉換到登月艙上的生命保障系統後,開始將宇航服上的PLSS(行動式生命保障系統)揹包、月面套鞋、相機和其他一些裝置拋棄在月面上。之後他們重新對登月艙加壓,接著就去睡覺了。  在進入客艙時,奧爾德林的揹包意外中損壞了解除上升級主發動機保險的開關,最初人們擔心沒有這個開關將無法點燃引擎,以至於把宇航員們困在月球上無法返回。幸運的是這個開關用一個太空筆就可以開啟,如果不是這樣,宇航員們就得重新設定登月艙的電路以點燃上升級發動機。  在休息了約7個小時以後,指揮中心叫醒了兩名宇航員並指示他們進行回航準備。又過了兩個半小時,UTC17:54時,他們乘坐鷹號上升級離開月面返回繞月軌道與指令艙哥倫比亞號上的指令倉駕駛員邁克爾·柯林斯會合,隨他們返回的還有21.55公斤的月面樣本。  登月艙上升級上的影片記錄顯示,在起飛階段時,放置在離下降級25英尺遠的美國國旗被上升發動機噴出的氣體猛烈吹動。隨著降落場慢慢離開視野,旗子似乎已經傾倒,但是否傾倒誰都不確定(據奧爾德林說:“登月艙的上升級與下降級分開...我當時正盯著電腦,尼爾正看著高度表,但我還是看了一眼,發現旗子倒了。”)。在阿波羅11號之後所有登月飛船放置在月面上的美國國旗都至少離開登月艙100英尺,以避免被上升發動機吹倒。  在與哥倫比亞號會合之後,鷹號登月艙被拋棄並留在繞月軌道上。據國家航空航天局報告稱,鷹號的軌道逐漸降低最終在“某一地點”墜毀  7月23日,在降落地球前夜,三名宇航員進行了一次電視直播。柯林斯說:“...把我們送入軌道的土星五號火箭的複雜程度是難以想象的,它的每一部件都很完美...我們始終對它抱有信心。沒有為這個計劃流血、流汗、流淚的人們,這一切都不會成為現實...雖然你們現在看到的只有我們三個,但在幕後有成千上萬的人為計劃作出了貢獻,我想對他們說:‘十分感謝’”。奧爾德林說:“...這不僅僅只是三個人去月球完成一次任務,也不僅僅是一個政府和產業團隊的努力,也不僅僅是一個國家的努力。我們感覺這象徵了人類對未知世界探索的求知慾...從我個人來說,回想過去幾天,聖歌中的一節出現在我腦中‘我觀看你指頭創造的蒼穹和你擺列的月亮星辰,人算什麼,你竟顧念他!’”。阿姆斯特朗總結道:“這次飛行的責任是歷史賦予的、是科學先驅們賦予的責任、是美國人民的意志賦予的、是四個部門和他們的委員會賦予的、是製造了土星火箭、哥倫比亞號、鷹號和艙外活動單元,包括宇航服和揹包,也就是我們在月球上的小飛船,是製造了他們的公司與產業團隊賦予的。我們感謝建造、設計、實驗了飛船併為之付出努力與發揮才智的所有美國人,今晚,我們由衷地感激他們。願上帝保佑所有收聽收看我們直播的人,這裡是阿波羅11號,晚安。”  宇航員們於7月24日返回地球,並受到了英雄般的歡迎。他們的降落點為北緯13度19分,西經169度9分,威克島以東2660公里(1440海里),或約翰斯頓環礁以南380公里(210海里),距回收船大黃蜂號24公里(15英里)。在降落約一小時後,宇航員們被回收直升機發現,之後宇航員們進入了一個用做隔離設施的拖車。尼克松總統親自登上了回收船歡迎宇航員返回地球。 為避免從月球帶回未知病原體,阿波羅11號的乘員在返回地球后被隔離,但是被關了3周之後(拖車中一週,林登·B·約翰遜宇航中心的月球物質回收和迴歸宇航員檢疫實驗所兩週),宇航員們並沒有任何事情。1969年8月13日,宇航員們離開了隔離區並接受美國民眾的歡呼,同一天在紐約、芝加哥和洛杉磯都進行了為他們慶祝的遊行。  當晚在洛杉磯為阿波羅11號成員舉行了國宴,出席的有國會議員、44位州長、首席大法官和83個國家的大使。總統尼克松和副總統斯派羅向每位宇航員頒發了總統自由勳章,這次慶典只是一個長達45天的名為“一大步”巡遊的開始,在這次巡遊中宇航員們去了25個國家,期間還拜訪了許多著名人物包括伊麗莎白二世女皇。許多國家為慶祝第一次載人登月都發行了紀念郵票或紀念幣。  1969年9月16日,三名宇航員在國會山舉行的參眾兩院聯席會議上發表演講,他們向眾議院和參議院分別贈送了一面隨他們登月的美國國旗。  指令艙現在陳列在華盛頓的國家航空航天博物館中,它被擺放在朝著傑弗遜大道入口的主展廳正中,在主展廳裡還有其他先驅飛行器,比如聖路易精神號、貝爾X-1、北美人X-15、友誼7號(水星計劃)和雙子星座4號。用作隔離艙的拖車被陳列在弗吉尼亞州華盛頓杜勒斯國際機場的史密森Udvar-Hazy中心。

  總統演講作家威廉·薩菲爾為尼克森總統準備了一份名為“月球災難”(英語:In Event of Moon Disaster)的電視演說稿,以備登月宇航員被困在月球上無法返回時使用。

  阿波羅11號飛船安裝了摩托羅拉的無線應答器,用於傳遞地球與月球間的語音通訊和電視訊號。阿姆斯特朗在月球上的第一句話是通過摩托羅拉政府電子部設計並製造的轉發器傳回地球的。 美國在月球上的漫遊車使用摩托羅拉調頻無線接收機來提供相距三十八萬六千公里的月球與地球之間的話音聯絡。這種接收機的靈敏度比普通汽車收音機高一百倍,卻只有0.681公斤。

  阿波羅11號的任務徽章由指令艙駕駛員邁克爾·柯林斯設計,他的設計意圖是“美國進行的以和平為目的的登月”。他選擇了鷹作為徽記,最初的版本在鷹喙上新增了橄欖枝,整個徽記以月球作為背景,遠景上則是遙遠的地球。但美國國家航空航天局的官員認為鷹喙顯得過於好戰,所以經過討論後,徽章上的橄欖枝被移至鷹爪。因為宇航員們擔心在徽章上使用羅馬數字XI會在某些國家中造成費解而最終選擇了英文Apollo 11作為徽章標題;而且為顯示徽章代表對登月計劃做出貢獻的"每個人",宇航員們決定不在徽章上放置自己的名字。  徽章上的所有顏色都為原色,周圍裝飾著藍色和金色的外沿。為配合任務徽章,阿波羅11號的指令艙也被命名為鷹號。
阿波羅11號(英語:Apollo 11)是美國國家航空航天局的阿波羅計劃中的第五次載人任務,是人類第一次登月任務,歷時8天13小時18分35秒,繞行月球30周,在月錶停留21小時36分20秒。三位執行此任務的宇航員分別為指令長尼爾·阿姆斯特朗、指令艙駕駛員邁克爾·科林斯與登月艙駕駛員巴茲·奧爾德林。