曆史沿革
曆史背景
第二次世界大戰結束後，冷戰開始了，巨大的鐵幕在以美國和蘇聯為代表的東西方之間緩緩升起。為了在對抗中獲得壓倒性的軍事實力，美國和蘇聯各自開始了自己的核軍備擴充計劃，也就是後來人們所熟知的核競賽。但是對蘇聯而言，這場競賽從一開始就阻礙重重，其中很重要的一點就是蘇聯缺乏核武器長距離投送能力。
盡管在蘇聯在1949年便制造出了自己的第一顆原子彈——比他們的美國同行僅僅晚了4年，但這顆原子彈卻比廣島和長崎爆炸的美國原子彈足足大上一圈，如此的龐然大物根本不适合用飛機投放。退一步而言，就算科學家能夠将核武器小型化，蘇聯也沒有像美國那樣龐大、先進的洲際轟炸機隊伍和軍事基地來實現全天候核戰備。
如果隻依靠傳統的方式建設核力量，蘇聯顯然是無法與美國相抗衡的，蘇聯必須考慮建設新型武器搭載平台，創造不平衡優勢，為此，他們将目光放在了從納粹德國那裡繳獲來的新型武器——V-2火箭上，這是人類曆史上設計得第一種彈道導彈，由德國科學家韋納·馮·布勞恩博士設計。盡管V-2在戰争中造成的實質損失并不大，但它的潛力給各國科學家、戰略家和軍事家都留下了深刻映像。戰後，美國通過回形針行動吸納了包括馮·布勞恩在内的大批火箭工程師，順手帶走了幾乎所有的V-2火箭成品，而蘇聯隻獲得了部分半成品與設計資料，但是，蘇聯依然憑借自身的努力，完成了對V-2的仿制和改進工作，并從中獲得了寶貴的經驗，為蘇聯自主生産和制造火箭奠定基礎。
1957年5月，蘇聯研制出了世界上第一枚洲際彈道導彈R-7，諷刺的是，R-7使用的液體發動機加注過程繁瑣，卻無法長期貯存燃料，因此不适合作為核導彈使用，但是它獨特的結構設計和優良性能令它在航天領域大放異彩。1957年10月，在首飛短短5個月後，一枚經過改裝的R-7火箭在拜科努爾發射場再度升空，火箭上搭載了世界上第一顆人造衛星人造地球衛星1号（又譯：斯普尼克1号，俄語：Спутник-1，英語：Sputnik1）。
人造地球衛星1号令大洋彼岸的美國大為震驚，此時他們自己的衛星計劃還在因為陸軍和海軍扯皮而處于拖延狀态。人造地球衛星1号從太空中傳來的無線電信号令華盛頓的政客們猛然驚醒：他們意識到衛星的巨大價值，手忙腳亂地開始了發射的準備工作，并在短短1個月内拿出了成果：1957年11月，美國海軍嘗試發射自己的第一枚人造衛星先鋒TV3号（VanguardTV3），然而結果卻幾乎是自取其辱——當天有數萬美國民衆通過電視直播觀看了發射實況，他們眼睜睜地看見自己的火箭點火并緩緩升起，随後靜滞、墜地爆炸，這次失敗令輿論噓聲一片，海軍的顔面幾近掃地。
與此同時，美國陸軍的探險者項目（ExplorersProgram）正如火如荼地開展，但是直到1958年1月最後一天才發射了美國的第一顆人造衛星探險者1号（Explorer1），而這時一切都已經太晚了，蘇聯人已在航天領域獲得全面領先：早在1957年11月——也就是先鋒VT3失敗的同時，在時任最高領導人赫魯曉夫的鼎力支持下，蘇聯發射了人造地球衛星2号（又譯：斯普尼克2号，俄語：Спутник-2，英語：Sputnik2），而它令美國人大感懊喪的原因并非是在發射時間上占了優勢，而是因為斯普尼克2号搭載了乘客——一條名叫萊卡（Laika）的雌性混種犬，這令蘇聯先于美國拿到了寶貴的生物實驗數據，為将來載人航天預作準備。
計劃啟動
在航天領域兩度落後于蘇聯的美國人心有不甘，即刻着手開展了新的發射計劃，這一回他們打算趕在蘇聯人前面，将第一名宇航員送入太空。
為了達成這個目标，當時新成立不久的美國國家航空航天局從美國軍方那裡接過載人航天的大旗，開始了設計和規劃。1958年10月7日第一個載人航天計劃正式通過，并于同年的12月17日對外公開。該計劃原名宇航員計劃（ProjectAstronaut），但是時任美國總統艾森豪威爾認為這個名字容易讓人把注意力放在駕駛員身上，繼而産生誤解，于是依據古代神話将其更名為水星計劃，如此一來既和之前的木星号火箭（Jupiter，名字源于古羅馬主神朱庇特）、宇宙神火箭（Atlas，名字源于古希臘擎天神阿特拉斯）等相互對應，也明确了此後美國航天任務大部分以古代神話傳說來命名的傳統。
計劃過程
讓我們來想象一下：在探索太空新疆界方面，美國曾在技術上落後于它的競争對手前蘇聯。幸運的是，您從110名合格的飛行員裡被選中，成為進入太空的七人小組中的一員。為了這次任務，您在生理和心理兩方面都經受了長時間的訓練，并且也曾經看過很多即将載人進入太空的這類火箭的爆炸。然而現在，您就坐在裝滿爆炸性燃料的火箭頂端，指揮部正在倒計數。全世界都在電視上關注着您。幾分鐘之後，您可能已經置身于太空，也可能已死于一場大爆炸，沒有回頭的可能了。第一個太空項目的命運就由您來決定是否能夠順利進行。
事實上，這就是1961年5月5日，當宇航員艾倫·B·謝潑德邁進他的自由7号太空艙，成為美國“飛天第一人”時的情形。自由7号是美國的首個太空項目——水星計劃——的第一次飛行。
如果您沒有經曆過那個時代，那麼很可能會難以理解這個太空項目以及這些宇航員的重要意義。美國當時正處于與前蘇聯的冷戰中，這兩個國家正在争奪對太空的控制權，前蘇聯首先将人造衛星Sputnik送入了太空。盡管美國人在競争中落後了，但水星計劃的完成為後來人類登上月球并最終赢得太空競賽打下了基礎。
鑒于當時與蘇聯競争的緊迫形勢，該計劃的基本指導思想是盡可能利用已經掌握的技術和成果，以最快的速度和簡單可靠的方式搶先把人送上天。然而當蘇聯于1961年4月12日把航天員加加林送上天并成功地完成軌道飛行時，“水星”計劃尚處于無人試驗階段，直到1962年才進行首次載人軌道飛行。“水星”計劃于1963年結束，共完成25次飛行試驗，其中包括4次動物飛行，2次載人彈道飛行，4次載人軌道飛行，耗資約4億美元。
為了争取美蘇這場太空競賽的第一，美國的工程師們做了很大的努力。可“水星”計劃早期的實驗并不順利，而且還發生了多次事故。1961年春季這種情況似乎有了好轉，1月和3月的兩次實驗都取得了良好的成果。為了在太空競賽中搶先一步，太空任務小組提議提前進行載人航天飛行，但火箭專家馮·布勞恩卻堅持要按原計劃進行。4月12日，加加林實現太空飛行後，時間顯得更加緊迫。
1961年5月5日上午9:34，自由7号飛船從卡納維拉爾角空軍基地5号發射複合體升空，上面搭載了美國宇航員艾倫·謝潑德。在短短120秒内，助推的水星-紅石3火箭将飛船加速至6.3G，沿預定軌道飛行。2:22GET（GroundElapsedTime，即發射後時間，下同），自由7号順利進入亞軌道，艾倫·謝潑德成為第一位進入太空的美國人，在地面等待的人們收聽到了這位宇航先驅從無線電中發回的話語：
“多麼美麗的景色啊（Whatabeautifulview）。”
15:22GET，自由7号返回艙濺落在距發射場486千米（302英裡）外的大西洋中，并被在此盤旋的直升機整體拖吊，運至等候已久的尚普蘭湖号航空母艦（USSLakeChamplain，CV-39）上。在那裡，謝潑德接受了水兵們英雄般的歡迎。
這次飛行被赫魯曉夫戲稱為“跳蚤的一躍”，因為謝潑德并沒有進入繞地軌道，他的飛行其實更像是抛物線運動，僅僅在在亞軌道飛了15分22秒。之後NASA（美國國家航空航天局）又進行了幾次亞軌道和軌道飛行試驗，對軌道飛行進行了充分的驗證。1962年2月20日，航天員約翰·H·格林乘坐“友誼7号”飛船終于實現了美國人的航天夢。此後，水星号又進行了3次太空飛行。
“水星”計劃期間，美國太空總暑的太空人班底是“原始七人組”，所以每一次飛行任務的命名尾數都是七。例如，1961年5月5日，阿蘭·B·謝巴德成為第一個進入太空的美國人之時，他搭乘的太空船叫做“自由7号”，當然這并不代表在他之前有六次“自由××号”的飛行。随後的維吉爾·I·葛理森飛了15分37秒，隻是确保太空船能夠可靠地控制而且軌道計算正确。約翰·H·格林是“水星”計劃中第三位飛上太空的人，他在1962年2月20日成為第一個乘太空船環繞地球的美國人，4小時55分23秒的太空之旅使他圍繞地球轉了3圈。“水星”計劃最後一次，也就是第六次“信心7号”，飛行時間已增加到34小時19分49秒，以便評估在軌道上失重近一天半的影響。
“水星”計劃所要達到的目标與“東方”号計劃基本相同。工程師們設計了一個圓錐形的飛船，總長約2.9米，底部直徑約1.8米。飛船的頂端還有一枚逃逸火箭。底端的制動火箭為回收時提供脫離軌道的推力。進入大氣層時，飛船底端的燒蝕材料用于防熱。當太空艙落入較低的大氣層時，太空艙頂端的降落傘打開，使航天員和太空艙安全地降落在海洋中。
“水星”計劃雖然晚于蘇聯10個月才實現軌道飛行，但其技術上取得的成就卻比“東方”計劃更大，美國在整個“水星”計劃中，将多種導彈改進作為運載火箭，從中獲得了豐富的經驗，這為後來的大型航天計劃創造了必要條件。同時“水星”計劃在技術上雖然比較複雜，可整個開發過程比較科學，具有推廣的潛力，并且發展了幾項新技術，在大型航天計劃的管理上也積累了相當的經驗。
美國通過“水星”計劃證明人能夠在空間環境中生存和有效地駕駛飛船，也取得了載人飛船設計的初步經驗。但是在這一回合的載人航天競争中輸給了蘇聯，突出表現為載人上天的時間落後于蘇聯，航天運載能力也處于劣勢。
計劃目标
美國國家航空航天局為水星計劃訂立的基本目标（objectives）如下：
（1）發射載人航天器并在地球軌道運行；（Placeamannedspacecraftinorbitalflightaroundtheearth.）
（2）考察太空對人類活動和生理機能的影響；（Investigateman'sperformancecapabilitiesandhisabilitytofunctionintheenvironmentofspace.）
（3）讓宇航員和航天器平安返回。（Recoverthemanandthespacecraftsafely.）
計劃目标訂立後，美國國家航空航天局還為計劃訂立了幾項基本指導原則（guidelines）以确保宇航員和航天器的安全：
已有的技術和裝備必須保證在任何情況下都能夠正常運作；（Existingtechnologyandoff-the-shelfequipmentshouldbeusedwhereverpractical.）
系統設計應當盡可能地簡單可靠；（Thesimplestandmostreliableapproachtosystemdesignwouldbefollowed.）
應選用現有運載火箭将飛船送入軌道；（Anexistinglaunchvehiclewouldbeemployedtoplacethespacecraftintoorbit.）
必須開展漸進而合理的測試流程。（Aprogressiveandlogicaltestprogramwouldbeconducted.）
之後又确定了更多有關于飛船的基本設計要求（requirement）：
飛船必須配備可靠的逃逸系統，以便發射出現意外時，宇航員和飛船可以及時地同火箭分離；（Thespacecraftmustbefittedwithareliablelaunch-escapesystemtoseparatethespacecraftanditscrewfromthelaunchvehicleincaseofimpendingfailure.）
駕駛員必須能夠手動控制飛船高度（Thepilotmustbegiventhecapabilityofmanuallycontrollingspacecraftattitude.）
飛船必須搭載能夠提供可靠動力、讓飛船脫離軌道的制動火箭；（Thespacecraftmustcarryaretrorocketsystemcapableofreliablyprovidingthenecessaryimpulsetobringthespacecraftoutoforbit.）
飛船船體必須符合零升力條件下的阻力制動（外形）以便再入（時減速）；（Azero-liftbodyutilizingdragbrakingwouldbeusedforreentry.）
飛船設計必須能夠實現水上降落。（Thespacecraftdesignmustsatisfytherequirementsforawaterlanding.）
關聯機構
計劃啟動後，據估算水星飛船的成本約為20,000,000美元（折合2016年時通脹水平約為162,000,000美元，合1,079,244,000元人民币）後，共有12家公司參與了飛船建造合同的招投标活動，1959年1月，招投标結果公布，麥克唐納飛機公司（McDonnellAircraftCorporation）赢得了主承包合同，而在此之前的兩周，北美航空公司（NorthAmericanAviation）赢得了制造用于測試逃逸塔的小喬火箭（LittleJoe）合同。用于天地通訊的全球跟蹤網絡組建合同由西部電子公司（WesternElectricCompany）赢得，用于亞軌道發射的紅石火箭由克萊斯勒位于阿拉巴馬州麥迪遜郡亨茨維爾的工廠生産；宇宙神火箭則由康維爾位于加利福尼亞州聖叠哥的工廠生産。
載人發射任務由位于卡納維拉爾角空軍基地的大西洋導彈發射場（AtlanticMissileRange，現西部發射場，WesternRange），這裡同時也是水星控制中心（MercuryControlCenter）的所在地；通訊網絡的計算中心設在了馬裡蘭州的戈達德航天中心；小喬火箭發射場位于弗吉尼亞州的瓦勒普斯島；宇航員的訓練在俄亥俄州克利夫蘭市的劉易斯飛行推進器實驗室（現格倫研究中心）和賓夕法尼亞州沃明斯特的海軍航空發展中心（NavalAirDevelopmentCenter，現沃明斯特海軍空中作戰中心，NavalAirWarfareCenterWarminster）開展；位于新墨西哥州阿拉莫戈多霍洛曼空軍基地（HollomanAirForceBase）和弗吉尼亞州蘭利研究中心（LangleyResearchCenter）風洞實驗室參與了空氣動力研究；在飛船的設計研究期間，美國空軍和海軍提供了大量飛機供研究人員使用，海軍和海岸警衛隊更投入了大量船隻、飛機參與後期對飛船的回收工作中；另外值得一提的是，由于水星計劃及載人航天工廠，卡納維拉爾角南部的小鎮可可比奇一下子成為了著名景點，航天任務強有力地推動了當地經濟的發展，1962年自由7号發射時，這座小鎮一口氣湧入了75,000名觀衆。
宇航員
盡管水星計劃從一開始便以載人飛行為最終目标，但是在1958年，航天事業才剛剛開始起步，根本就沒人知道在微重力的地球軌道上工作需要具備哪些條件。美國國家航空航天局意識到他們要想組織一支專業的航天員隊伍，首先必須解決人選問題。為此，他們組建了一個委員會，專門負責航天員的選拔工作，具體成員包括：高級工程師查爾斯·唐倫（CharlesDonlan）、試飛工程師沃倫·諾斯（WarrenNorth）、外科醫生史丹利·懷特（StanleyWhite）、外科醫生威廉·阿爾格森（WilliamArgerson）、心理學家艾倫·甘博（AllenGamble）、羅伯特·沃爾斯（RobertVoas）、精神科醫生喬治·魯夫（GeorgeRuff）、精神科醫生埃德溫·列維（EdwinLevy）。
評選委員會很快留意到航天員的選拔标準和試飛員的選拔标準十分接近，他們的觀點受到時任美國總統艾森豪威爾的認同，後者認為宇航員應該是現役飛行員，特别是試飛員。除此之外，他們應該接受過大學教育、已建立了家庭、中等身高和體格，健康狀況極好并且熱衷于駕駛先進的飛行器。
于是，評選委員會開始篩選現役飛行員的服役記錄，他們向全美各航空作戰部隊下達了招募文件。2013年美國國家檔案館對外公布了一份水星計劃招聘航天員廣告原件，大緻内容如下：
“自願進入滿載火箭燃料、高度易燃的宇航飛船之中，自願飛往太空，但不保證回程，感興趣者請将簡曆投至NASA，轉水星計劃。”廣告中對職位要求的具體描述令人生畏。
時任航天局副局長技術助理的克洛泰爾·伍德在1959年寫給保羅·B·本尼特中尉的信中則描述得更為詳細，信件簡單介紹了水星計劃中航天員的各項工作職責，以及需要接受的訓練内容：
“職責範圍包括參與水星計劃可能遇到的飛行模式下的教學、研發以及飛行前訓練項目，操作和（或）觀察底部固定或移動的模拟器試驗，充當試驗對象，協助分析研發和評估各種助推器、通訊設備、遙測裝置、顯示器、運載控制、環境控制及其他涉及發射、大氣逃逸、軌道飛行、重返大氣層、着陸及回收系統的數據，參與諸如離心項目的專門訓練，培養對發射、無重力飛行、重返大氣層的耐受力，提升在這種條件下操作運載工具的熟練程度和自信。”
1959年1月，委員會共收到508位飛行員的報名，經過一番篩選後，這份名單被縮減至110人。受邀的飛行員分别來自海軍陸戰隊、海軍和空軍（陸軍飛行員沒被邀請是因為他們當中沒有人從試飛員學校畢業）。110名飛行員當中有69人于1959年2月到華盛頓報到，參加選拔測試，其中包括面試（技術和心理兩方面）、書面測驗和體格檢查。最終，在這69名飛行員當中，有32人被選中并同意接受在俄亥俄州和新墨西哥州進行的進一步測試。這些測試包括全面的醫學和心理評估以及強重力加速度、振動和隔離等環境下的耐壓測試。
1959年4月1日，7名宇航員從32位候選人中脫穎而出，并于1959年4月9日，在美國國家航空和航天局在華盛頓舉行記者招待會上對外公開：
斯科特·S·卡彭特中尉（美國海軍）
戈爾登·G·庫珀上尉（美國空軍）
約翰·H·格倫中校（美國海軍陸戰隊）
維吉爾·I·（格斯）格裡索姆上尉（美國空軍）
瓦爾特·M·施艾拉少校（美國海軍）
艾倫·謝潑德少校（美國海軍）
迪克·K·斯雷頓上尉（美國空軍）
大多數水星計劃的宇航員是第二次世界大戰和/或朝鮮戰争的老兵。他們有豐富的飛行經驗并且健康狀況極好。
被選中以後，宇航員們又經過了幾年的培訓，包括在水星飛船系統中的訓練以及飛行訓練、連續的醫療評估和各種環境（沙漠、叢林和海洋等）下的生存訓練。他們刻苦地練習并忍受了和家人長時間分離的痛苦，每個人都想在競争中努力成為第一個進入太空的美國人。
于是，宇航員們在媒體和公衆的矚目下成了名人。他們公開露面為美國國家航空和航天局宣傳首個太空項目，并利用公衆的關注度來提升自己在項目中的影響力。
除了進行訓練和拓展公共關系外，他們還經常咨詢水星飛船建造的進展。宇航員們不顧設計飛船工程師們的反對，堅持要求為飛船配備一扇窗戶、重返大氣層推進器的手動控制裝置和配有爆炸螺旋的逃生艙——他們希望能夠主動駕駛飛船并且在需要的情況下逃生。他們是飛行員，僅僅乘坐一艘完全自動化飛船的想法與他們的天性相違。
最終，經過數年的準備，初次飛行的安排被确定下來：謝潑德将是第一個進入太空的美國人，然後是格裡索姆，再接着是格倫。
航天飛船
詳見詞條：水星号飛船
水星号飛船的設計由馬克西姆·費格特和美國國家航空航天局的太空工作組共同完成，早在美國國家航空咨詢委員會時期，馬克西姆和他的團隊就已經開始着手水星号的設計工作。水星号飛船寬約1.82米（6.0英尺），長約3.29米（10.8英尺），加上逃逸塔後，長度約為7.89米（25.9英尺）。飛船内的有效空間約為2.83立方米（100立方英尺），比宇航員的身體大不了多少，故有人揶揄水星号飛船是“穿”的，而不是“乘坐”的。不過也正是得益于“緊湊”的結構設計，水星号系列中最重的水星-大力神号也隻有約1360.77噸（3000磅），和一輛普通面包車差不多。飛船外殼由René41構成——一種耐熱的超合金。飛船内部共有120個操作開關——其中55個是電開關，30個是保險絲，還有35個是機械操作杆。
起初NASA并不考慮宇航員的乘坐感受，認為他們是設計過程的“次要參與者”，這使得宇航員與設計人員之間起了很多沖突。然而計劃的領導者認為宇航員應該掌控飛船，并把個人能力作為計劃成功的重要因素。約翰·格倫在首次軌道飛行時手動姿态調整便是所謂“掌控”的最好證據。宇航員還要求一個更大的舷窗并加增手動再入控制器，都得到了滿足。
在任務的發射階段，飛船和宇航員依靠發射逃逸系統（LES）來避免受發射事故的危害。逃逸系統是安裝在飛船上方的一個能産生52000磅力（231千牛頓）推力的固體火箭塔。在發射事故産生時，逃逸系統在1秒内啟動，将飛船和宇航員帶離失效的運載火箭，随後依靠飛船的降落傘着陸。助推火箭熄火後，逃逸塔完成使命從飛船上脫落，由一枚能産生800磅力（3.6千牛頓）的固體火箭工作1.5秒提供分離推力。
箭船分離時，飛船上的三枚推力為400磅力（1.8千牛頓）的固體火箭點火1秒。這三枚火箭成為加速火箭。
飛船隻配備了姿态控制推力器，因此在軌道注入和制動減速期間，飛船不能改變軌道。飛船高低部分各有6個噴射器，每個軸上兩個。噴射器的燃料補給來自兩個分離的燃料罐，一個自動供給，一個手動供給。宇航員可以選擇控制噴射器中的任意一個。飛船還被設計為可以完全接受地面控制，以便在宇航員無法控制時控制飛船。
飛船有3枚固體制動火箭，每枚推力1000磅力(4.5千牛頓)，工作時間10秒。但一枚火箭足以将飛船帶回地球。制動時一枚火箭先點火，5秒後第二枚點火，再5秒後第三枚點火。
NASA從麥克唐納公司訂購了20艘飛船，編号1到20，其中10,12,15,17和19号沒有使用。3号和4号在無人飛行測試中因事故而被毀。11号在返回地球後沉沒，直到38年後才被從大西洋底打撈上來。一部分飛船在制造後由經過了改進（發射中斷事故後回收，更新設備用于更長的任務），其命名為原編号加字母，如2B,15B。某些飛船還被改進兩次，如15号飛船先改為15A，後改為15B。
NASA和麥克唐納還制造了許多水星飛船試驗版（包括實體模型，原型，複制品）用來測試飛船回收系統，逃逸塔和運載火箭。
水星飛船用于運載單人進入太空并将其安全送回。它的外形呈圓錐狀，長2米，錐底直徑1.9米，錐頂裝有小圓柱體。根據任務的不同，安裝在助推火箭頂端的飛船重量可在1043千克到1360千克之間。飛船的上部有一個緊急逃生塔，它可以将太空艙從助推火箭上分離并将其推升到一定的高度。在該高度下，降落傘能夠打開并将太空艙和宇航員安全送回離發射架不遠的地面上。在飛船的底部有一塊隔熱罩和一台減速發動機，隔熱罩可以保護太空艙重返大氣層時不被燒壞，減速發動機則是一些小型的火箭助推器，它們的作用是在飛船重返大氣層時使其減速。
與任何飛船一樣，水星飛船必須具備以下系統：
生命維持——三隻球形氧氣瓶為艙類提供純氧。氫氧化锂濾氣罐清除呼出的二氧化碳。鼓風機被用來循環艙内空氣并為宇航員降溫。絕熱材料和雙層艙殼有助于保持艙内溫度在可承受範圍。飲用水由艙内提供。尿液收集系統被集成到太空艙上。宇航員穿戴着增壓服和頭盔來隔絕熱量并免受艙内低壓的影響。
能源——電源由1500瓦和3000瓦電池的不同組合來提供。水被用來冷卻這些不同的電力系統。
無線電/跟蹤通信——高頻（HF）和超高頻（UHF）的發射機和接收器用于與地面之間雙向傳送聲音、遙控數據以及導航數據。天線和回收信标位于飛船的頂部。一台電視攝像機被安放在艙内以監測宇航員。
操縱——在各個方向（X、Y和Z軸）上的俯仰、翻滾和偏航操作是通過反作用控制推進器來完成的，這些推進器使用高壓過氧化氫作為燃料。反作用控制推進器可以自動控制也可以手動控制。三台固體火箭發動機（加速發動機）用來使飛船與助推器分離，另外三台固體火箭發動機（減速發動機）用來在飛船返回地球大氣層時使其減速。
重返大氣層——飛船裝備了燒蝕隔熱罩以防止其在重返大氣層時，在約1093攝氏度的高溫下被燒壞。隔熱罩為鋁制蜂窩狀結構，中間包含多層玻璃纖維材料。随着飛船的下降，隔熱罩的材料汽化并帶走熱量。雙層艙殼和隔熱材料保持艙内溫度在可承受的範圍内（但仍然很熱）。
着陸——重返大氣層後，一個漏鬥形的小減速傘在6405米高度處被打開，開始對飛船進行減速以備着陸。主降落傘在3050米高度處被打開，繼續對飛船減速從而為水上着陸做準備。就在撞擊水面之前，着陸氣囊從隔熱罩後面急速膨脹以減少撞擊力。着陸之後，其他的氣囊立即在飛船頂端周圍膨脹，使太空艙在水中保持直立，同時降落傘也被釋放。一旦救援直升機鈎住飛船，宇航員就打開安全艙口離開太空艙，也可以在儀器面闆後面爬行然後通過錐頂離開太空艙。
運載火箭
水星計劃使用了三種火箭:
小喬伊火箭-8次亞軌道機械測試，2次運送猴子，以及若幹逃逸系統測試。
紅石運載火箭-4次亞軌道機械測試，一次運送黑猩猩，2次載人亞軌道飛行。
宇宙神運載火箭-4次亞軌道機械測試，2次在軌飛行，1次運送黑猩猩，4次載人軌道飛行。
小喬伊火箭搭載試驗版飛船主要用來進行逃逸塔和飛行中斷程序測試。紅石火箭主要用于亞軌道飛行，宇宙神火箭用于軌道飛行。小喬伊火箭是專為水星計劃設計的固體火箭，而宇宙神火箭原本是用來運送核彈頭，因運送比彈頭更重的飛船而做了必要的加固。1958年10月，水星-朱庇特導彈也曾被考慮作為亞軌道運載工具，但在1959年又因預算原因取消了此計劃。大力神系列導彈也曾考慮做水星計劃的運載工具，但計劃付諸實施前水星計劃就終止了，大力神系列導彈用于随後進行的雙子星座計劃。
水星計劃中，也使用了一枚偵察兵火箭，水星-偵察兵1号計劃運送一顆衛星來評估遍布全球的水星追蹤系統，但衛星随火箭在飛行44秒後由靶場安全系統摧毀。
飛行記錄
載人飛行
無人飛行
水星計劃含有20次無人發射，并非所有發射都以進入太空為目标，也并非所有發射都達到了預期目标。其中4次飛行搭載了靈長類動物，第15次發射搭載了一隻叫做山姆（Sam）的猕猴。（名稱源自空軍的航天醫學院，也就是School of Aerospace Medicine的縮寫）。整個計劃中使用的動物見下表：
山姆，一隻猕猴。1959年12月4日乘坐小喬伊2号到85千米高空。
山姆小姐，一隻猕猴，1960年1月21日乘坐小喬伊1B到15千米高空。
含，一隻黑猩猩，1961年1月31日乘坐水星-紅石2号進行亞軌道飛行。
以挪士，一隻黑猩猩，1961年11月29日成坐水星-宇宙神5号進行軌道飛行。
取消任務
水星計劃運行期間，共有9次飛行任務被取消。按照規劃，水星計劃原本應當開展6次亞軌道飛行，但是随着自由鐘7号任務順利落幕，其後的任務因雙子星計劃的啟動而被取消。
