阿波罗8号

計劃

1966年12月22日，美國航空暨太空總署宣布了阿波羅8號任務的成員：弗蘭克·博爾曼、麥可·科林斯和威廉·安德斯。1968年7月，麥可·科林斯因為頸椎間盤突出症而做手術，被他的候補吉姆·洛威爾替代。科林斯在恢復後成為了阿波羅11號的指令艙駕駛員。
1967年9月，位於休斯敦的載人太空飛行中心提出了一系列任務以完成登月任務。七個任務類型被提出，每個類型都對特定的太空載具和任務進行測試；每一個任務類型的執行都需要前一類型的成功完成。這些任務類型分別是：
A - 無人指令/服務艙（CSM）測試
B - 無人登月艙（LM）測試
C - 載人近地軌道指令/服務艙飛行
D - 載人近地軌道指令/服務艙和登月艙飛行
E - 載人指令/服務艙和登月艙繞地球進行橢圓軌道飛行，遠地點7400千米
F - 載人月球軌道指令/服務艙和登月艙飛行
G - 載人登月
在阿波羅計畫中的部件中，登月時使用的登月艙導致的問題最多。第一個登月艙模型1968年6月被運到卡納維拉爾角時，曾發現了超過一百個不同的問題。作為登月艙主承包商的格魯曼飛機工程公司預測D任務中的第一部可載人登月艙最早要到1969年2月才能作好發射準備。這使整個序列被延遲。
阿波羅太空載具辦公室主任喬治·洛於8月份提出了一個解決辦法。因為指令/服務艙會在登月艙可投入使用之前三個月準備好，宇航局可以在1968年12月進行一次只攜帶指令/服務艙的飛行任務，但不僅僅是重複阿波羅7號（載人近地軌道指令/服務艙飛行，即C任務），而是將指令/服務艙一直開到月球，甚至是繞月球飛行。這次任務被取名為「C'任務」（C-Prime Mission）。這次新任務會允許航太局測試原本要等到阿波羅10號（F任務）才能測試的程序 。這次計劃的改變也有中央情報局擔心蘇聯於12月先於美國進行載人環繞月球飛行，使美國在太空競賽中再次落後的原因（參看探測器計劃）。
幾乎每個航太局的高級管理人員都對這次新計劃表示支持態度。唯一不支持此次任務的是局長詹姆斯·韋伯。但是，當大多數人支持之時，他也決定批准這次任務。
飛行任務成員辦公室主任迪克·斯雷頓決定將D任務和E任務的成員互換。原計劃中D任務的指揮官詹姆斯·麥克迪維特說，他從來沒被詢問過是否願意執行環繞月球的任務。即使有這樣的機會他也很可能會謝絕，因為他想操縱登月艙。而博爾曼很欣然地同意了這次互換：他原來的任務僅僅是在更高的地球軌道重複前一次任務。任務的交換也意味著太空載具的交換——博爾曼的新任務將使用103號指令/服務艙，麥克迪維特的任務使用104號。
最終，由於其多數工作已經被阿波羅8號和阿波羅9號完成，E任務被取消。任務指揮人員也相信第二次環繞月球的阿波羅10號能夠完成剩餘的飛行目標。
9月9日，任務成員進入了太空飛行模擬器，開始為任務做準備。太空人們的太空飛行時間與訓練時間之比達1:7。儘管每個成員都對所有操作進行了訓練，但每人的專門訓練也十分重要。作為指揮官，博爾曼針對返回大氣層進行了專門訓練；洛威爾針對與地面失去聯繫後進行的天體導航進行了訓練；安德斯負責檢查太空載具是否正常運轉。
直到11月12日，美國航空暨太空總署才宣布阿波羅8號在任務上的變化。此前，代理局長托馬斯·O·潘恩（Thomas O. Paine）曾簡短地談及每一種可能都會被考慮。
在發射前4個月時，博爾曼主要擔心的是任務會變得過於複雜。在農神5號的第一次載人發射中，除太空載具首次離開地球軌道以及環繞月球幾個基本任務目標之外，博爾曼拒絕了其他所有目標，並決定在月球軌道的時間也儘可能短——十圈而已。
發射前夜，傳奇飛行員查爾斯·林白訪問了住在甘迺迪太空中心的三位太空人。林白談到了在他自己1927年著名的跨大西洋飛行前測量地球儀上從紐約到巴黎的距離，並計算全程所需燃料的經歷。林白那次飛行的全部燃料大約是農神5號每秒消耗燃料的十分之一。

農神5號

阿波羅8號所使用的農神5號的序列號為SA-503，是第三台飛行的農神5號火箭。當此台火箭於1967年12月20日在火箭組裝大樓被組裝的時候，很多人認為它會被用在阿波羅6號中，任務是將一艘無人的指令/服務艙送入太空進行測試飛行。儘管阿波羅6號遇到了多個很嚴重的問題（第1節火箭遇到了嚴重的縱向耦合振動，第2級的兩個推進器都提前關閉），負責農神5號的馬歇爾航太飛行中心仍對這些問題都能被解決很有信心，決定不需要再進行一次無人任務。SA-503號火箭於是被用於載人任務。
但是，航空航太局負責人仍然增加了一些限制以提高安全係數：S-II第2級必須在密西西比測試站進行低溫測試，其他兩級需要繼續改進以適合載人飛行。4月30日，火箭被重新拆分成3級，第2級被送到測試站。第2級和第3級推進器的火花點火裝置也被改良。1968年5月時，第1節火箭被查出存在泄漏問題，其需要被修復。
由於此前農神5號只有過兩次發射，甘迺迪太空中心的地面人員無法按計劃完成任務。格魯曼公司的工作人員也遇到了很多登月艙的問題。登月艙被運到發射地點之後，有太多工作仍然需要完成，使很多人擔心計劃能否被執行。登月艙的起飛推進器也出現了泄漏現象，促使一些設計上的修改以及部分閥門的更換。
1968年8月，整個任務被修改。SA-503號火箭會將太空人送上去月球的旅程；雖然不攜帶登月艙，但會攜帶與登月艙質量類似的登月艙測試器（Lunar Module Test Article，LTA），這與阿波羅4號和阿波羅6號所使用相近。為加快發射前的準備工作，農神5號的很多修改都不由甘迺迪太空中心完成，而是交給專門的研究中心；它只執行與太空人安全相關的修改。
阿波羅8號所使用的太空載具於9月21日被放入火箭，並於10月9日被拖到五千米外的發射塔台進行測試。測試一直進行到發射的前一天。
SA-503作為阿波羅8號的火箭序列號被航空航太局有關運載火箭的部門使用。但是，與任務有直接關係的部門經常將其寫成AS-503，因為AS是Apollo-Saturn（阿波羅-土星）的縮寫；兩種序列號都在提及整個任務時被使用。-503顯示這是第3次飛行（503），使用土星5號（503）。

發射和地月轉移軌道切入

阿波羅8號於1968年12月21日早晨7點51分00秒（東部標準時間）發射。除了幾個小問題，整個發射過程幾近完美。S-IC第一級推進器的表現比預計低了0.75%，使其燃燒時間比計劃中延長了2.45秒。在第二節火箭燃燒即將結束時，火箭出現了縱向耦合振動，弗蘭克·博爾曼估計振動頻率為12赫茲，振幅約為±0.25G（±2.5米/秒²）。火箭將太空載具送入了離地球181.5千米至191.3千米高的地球軌道，軌道周期為88分鐘10秒。太空載具在軌道中的遠地點也比預期稍遠，計劃中應是圓形軌道，距地球185千米。S-IC級掉入了大西洋，準確位置為30°12′N 74°7′W；S-II級掉落在31°50′N 37°17′W。
接下來的2小時38分鐘裡，3位太空人和地面指揮一直在檢查指令艙是否正常工作，是否能夠開始地月轉移軌道切入（Trans-Lunar Injection，TLI），使太空載具開始就離開地球軌道、瞄準月球軌道的一次點火。同時，3位太空人將太空艙從一個火箭有效載荷轉換成了一個太空載具。S-IVB第三節火箭也必須保持正常運轉狀態。前一次的無人測試中，S-IVB第三級沒能重新點火。
整個飛行過程中有三名指令艙通信員（Capcom）輪換執行與阿波羅8號聯絡的工作。一般情況下，只有指令艙宇航通訊員與太空人直接對話。麥可·科林斯是三人中第一個值班，他在任務發射2小時27分鐘22秒後告知阿波羅8號「阿波羅8號，可以執行地月轉移軌道切入。」這個命令意味著指揮中心正式允許阿波羅8號前往月球。接下來的12分鐘裡，三位太空人檢查著太空載具和火箭以準備點火。12月21日15點41分38秒（UTC），S-IVB第三節火箭準時點火，並按照計劃燃燒了5分鐘17秒。這次點火將太空載具的速度從近地軌道的7793米/秒軌道速度加速到10,822米/秒，燃燒結束時高度達到346.7千米。這個速度也是當時人類在歷史上的最高記錄。
燃燒完成之後，S-IVB節火箭已經完成使命，可以被丟棄了。三位太空人掉轉了指令艙以便為S-IVB節火箭拍攝一些照片，也練習了與S-IVB節火箭編隊飛行。指令艙被掉轉後，他們首次看到了他們正在遠離的地球。這是人類第一次看到地球全景。
博爾曼開始擔心S-IVB節火箭與指令/服務艙靠得太近，並向指揮中心建議進行一次分離機動（separation maneuver）。指揮中心起初建議將太空載具對準地球，使用服務艙上的反應控制系統（Reaction Control System，RCS）的推進器將太空載具離開地球的速度增加0.9米/秒，但是博爾曼不想很快離開S-IVB的目視距離。長時間的討論後，最終決定是仍然按照原計劃的方向點燃推進器，但速度增加2.7米/秒。討論耽擱的時間使阿波羅8號比飛行計劃慢了一小時。
發射5小時後，指揮中心指揮S-IVB子火箭從排出剩餘燃料，使其軌道改變，最終能夠飛過月球並進入太陽軌道，也就對阿波羅8號不會有任何影響。S-IVB子火箭後來進入太陽軌道，半徑為0.99至0.92天文單位，傾角為23.47°，軌道周期為340.80天。
阿波羅8號成員成為了第一批穿越范艾倫輻射帶的人類。科學家預測太空載具高速穿過該輻射帶對人的影響不超過胸腔X射線或者1微格雷（一個普通人一年中會接受兩到三微格雷的輻射）。為記錄實際的輻射劑量，三名太空人都穿戴了個人輻射放射量測定器將數據傳往地球，以及三個被動膠片放射量測定器以顯示累計輻射量。任務結束時，三人平均輻射量為1.6微格雷。

飛向月球

作為指令艙駕駛員，吉姆·洛威爾的主要任務是導航員。儘管真正的導航計算是在指揮中心進行，但太空人必須準備在通訊信號中斷時自己導航並返回地球。導航員需要使用太空載具上攜帶的六分儀測量星星與地球（或者月球）地平線之間的距離來實現導航。事實證明這樣做是很困難的，因為S-IVB所排出的氣體形成了大塊的廢氣雲，使觀察星體變得非常難。
任務開始七小時以後，飛離S-IVB子火箭耽擱的時間以及洛威爾不甚良好的視野意味著阿波羅8號已經比飛行計劃中的時間表拖後了一小時四十分鐘。太空載具被改為被動熱控制（Passive Thermal Control，PTC），也稱為燒烤模式。這個模式使太空載具大約每小時沿著長軸旋轉一圈，保證太空載具上平均的熱分布（在陽光直射時，太空載具表面溫度高達200攝氏度，而陰暗面只有零下100攝氏度）。高溫差會使隔熱板裂開或者燃料艙爆炸。由於太空載具正在向月球航行，真正的旋轉無法做到，太空載具真正的軌道是錐形的。每半小時，旋轉軌跡都會被調整以保證太空載具保持軌道。
飛行11小時後進行了第一次中期軌道糾正（mid-course correction）。地面測試顯示除非燃燒室先被「預熱」一下，服務推動系統（Service Propulsion System，SPS）推進器有很小的可能會爆炸。為了解決這個問題，首次糾正進行了2.4秒，使軌道航行速度增加了6.2 米/秒（計劃中將增加7.5米/秒）。氧化劑中氦氣中的一個氣泡導致燃料壓力低於計劃，使反應控制系統被使用以彌補其不足。計劃中後來的兩次中期軌道糾正由於軌道正常被取消。
由於發射前5小時三位太空人們就已經開始準備，此時他們已經連續工作十六小時。弗蘭克·博爾曼此時應進行計劃中的七小時睡眠；指揮中心決定在任何時候都至少有一名太空人保持清醒以應對可能的突發事件。電台以及通風扇持續的噪聲使睡眠變得很困難。與此同時，在太空睡覺和地球有很大不同；比如枕頭失去其應有的作用。威廉·安德斯說他有時會突然坐起，因為零重力使他有下墜的感覺。
睡眠時間開始一小時後，博爾曼要求允許服用甲丁巴比妥安眠藥，但效果不甚明顯。在博爾曼睡了七小時醒來之後，他感覺身體不適。他兩次嘔吐，並且有腹瀉症狀；這些情況使太空艙中充滿了滴狀的嘔吐物和糞便。三位太空人盡了最大努力將太空艙打掃乾淨。博爾曼不想讓整個世界都知道他身體的問題，但洛威爾和安德斯仍然希望能夠告訴指揮中心。他們決定使用數據存儲設備（Data Storage Equipment，DSE）錄下關於博爾曼情況描述，並發給了地面指揮，「要求對錄音中的情況進行評估」。 
醫生和太空人之間的討論在二樓的指揮間（休斯敦指揮中心的二樓和三樓有兩件完全相同的指揮間，任務期間只使用一個）進行。在與太空人們單獨討論後，醫生們認為博爾曼應該是患了無大礙的急性胃腸炎病毒，或是安眠藥引起了不適。目前的解釋是他患了太空適應綜合徵，大約有三分之一的太空人在太空的第一天會有這種疾病；人體內的前庭系統逐漸開始適應失重環境。由於此前的水星和雙子星座太空載具都很狹小，太空人們還沒有機會在太空載具里自由活動，醫生們此前並未遇到過博爾曼的情況。
任務中向月球航行的部分相對來說比較平靜，除了檢測太空載具在正常工作並保持正常軌道外並沒有什麼其他的工作。在這段時間內，航空航太局在發射31小時後安排了一次電視轉播。轉播中使用的黑白攝像機質量為兩千克，使用的攝像管帶有一個廣角（160°）鏡頭和一個長焦距（9°）鏡頭。 
在電視轉播中，太空人們帶領觀眾參觀了整個太空載具，還嘗試著展示在太空看到的地球。由於長焦距鏡頭的角度過小，太空人們在看不到鏡頭畫面的情況下無法瞄準地球。由於攝像機沒有合適的過濾鏡，畫面在強光下顯得過於飽滿。最後，地球上看到的地球畫面只是一個光點。十七分鐘的轉播後，太空載具的旋轉使地球上的接收站無法收到太空載具上高增益天線發出的信號，太空人們結束了轉播，在結尾時洛威爾祝他的母親生日快樂。
在此時，睡眠時間表已經完全被打亂了。起飛三十二個半小時後，洛威爾開始睡覺，比預定計劃提前了三個半小時。不久，安德斯在服用安眠藥後也開始睡覺。
在去月球的途中，三位太空人並沒有太多機會看到月球。矽膠封閉層上被氣化的油狀物使五個窗戶中的三個上起了霧。被動熱控制所需要的飛行姿態使在太空載具內看到月球變得幾乎不可能。三位太空人直到達到月球背面後才第一次看到月球。
起飛五十五小時後進行了第二次電視轉播。這次太空人們在攝像機上使用了照相機的過濾鏡，使他們能通過長焦距鏡頭拍攝到地球的畫面。儘管瞄準地球很困難，太空人們在調整了太空載具位置之後向地球展示了歷史上第一次完整的地球電視畫面。太空人們講解了地球上可看見的部分以及可以分辨出的顏色。第二次轉播時長為23分鐘。

靠近月球

飛行時間55小時40分鐘時，阿波羅8號的三位太空人成為了第一批進入地球外天體重力影響的人類：換句話說，在這個時候，月球的重力對太空載具的影響比地球的大。此時，阿波羅8號距月球62377千米，以1216米/秒的速度靠近月球。由於這時太空人們仍然使用距離甘迺迪太空中心發射台的距離計算太空載具軌道，這個歷史性的時刻並沒有引起太多關注。直到最後一次中期軌道糾正並點燃推進器進入月球軌道，地球都會被作為計算中的參考系使用。此時阿波羅8號離進入月球軌道還有13小時。
進入月球軌道前的最後一個重要步驟是第二次中期軌道糾正。在糾正過程中，太空載具進行逆行運動，將速度減慢0.6米/秒，使太空載具飛過月球時離月球的距離被縮短。起飛後整整61小時後，太空載具離月球距離約為39,000千米，反應控制系統（RCS）共燃燒11秒。阿波羅8號會飛過距月球表面115.4千米。
起飛64小時後，太空人們開始準備進行首次月球軌道進入（Lunar Orbit Insertion-1，LOI-1）。這次機動絕對不能出現差錯，並且由於軌道力學原理，軌道進入必須在月球背面上空進行，那時太空載具與地球沒有任何聯絡。在指揮中心進行「去/不去」的討論後，阿波羅8號太空人們於飛行時間68小時時被告知可以進行機動，「架著我們能找到的最好的鳥」。68小時58分鐘，太空載具飛到了月球背面上空，與地球失去聯繫。
首次月球軌道進入開始前十分鐘，太空人們開始檢查太空載具，確保所有開關都處在正確的狀態。然後，他們終於首次看到了月球。當時太空載具正飛越月球的陰影部分，洛威爾第一個看到了陽光照在月球上。當時離開始點火前只剩下兩分鐘了，所以三位太空人並沒有太多時間去欣賞月球景色。

意外的人工重新對準

在此之後，洛威爾使用了一些閒置時間進行了一些導航觀測，使用計算機鍵盤調整太空載具以觀測一些星體。但是，一次錯誤的輸入擦除了電腦存儲的部分信息，使慣性測量組合（inertial measuring unit，IMU）認為太空載具正處於起飛前的相對位置，並自動啟動推進器以「糾正」其姿態。
當三位太空人意識到計算機修改太空載具飛行姿態的原因後，他們發現需要重新向計算機輸入數據，以告訴計算機太空載具的真正位置。洛威爾通過調整推進器將參宿七與天狼星對齊，花了十分鐘時間去計算出正確的數字，又用了十五分鐘將正確數據輸入計算機。
十六個月之後，洛威爾在更加嚴重的情況下又進行了一次類似的人工對準。在執行阿波羅13號任務時，太空載具的慣性測量組合甚至必須被關閉以節省電力。在他1994年出版的書《丟失的月球：危機重重的阿波羅13號》（英語：Lost Moon: The Perilous Voyage of Apollo 13；電影阿波羅13號發行後改名為《阿波羅13號》）中，洛威爾寫道：「我（在阿波羅8號中）接受的訓練變得非常有用！」在書中，他將阿波羅8號的人工重新對準事件描繪為地面人員要求進行的「計劃中的試驗」。但後來的採訪中，洛威爾承認阿波羅8號的人工重新對準是他的失誤造成的一次事故。

返回地球與重新進入大氣層

返回地球的過程對於太空人來說主要是一個放鬆並監視太空載具的過程。只要軌道專家們的計算都正確無誤，太空載具就會在地球轉移軌道射入兩天半後進入大氣層並墜落在太平洋中。
聖誕節的下午，三位太空人進行了第五次也是最後一次電視轉播。這一次他們再次介紹了整個太空艙，展示了太空人的太空生活。在結束轉播後，他們在食品櫃裡發現了來自迪克·斯雷頓的聖誕禮物——塞了餡的火雞肉，以及三小瓶未開封的白蘭地。太空人們還發現了來自各自妻子的聖誕禮物。
在平靜的兩天後，太空人們開始準備進入大氣層。計算機會自動控制進入過程，太空人們只需要將太空載具置入正確姿態並確保太空載具朝上。如果計算機失靈，博爾曼將會接替。
在與服務艙分離後，唯一的工作就是靜靜等待。在指令艙接觸大氣層前六分鐘，太空人們看見月球在地平線上升起，這與軌道專家們的計算相符。在進入外大氣層後，他們注意到窗外由於太空載具周圍的電漿體而開始變得朦朧。太空載具開始減速，減速度（負加速度）最高時達到6G（59米/秒²）。計算機通過調整飛行姿態控制著降落過程，阿波羅8號在向海面降落之前短暫地上升。在高度為9千米時，漏斗形減速傘使太空載具開始穩定，高度降為3千米時三個主降落傘打開。太空載具的準確降落地點為8°6′N 165°1′W。
當太空載具落入水中時，降落傘使其上下顛倒，保持二號穩定位置（Stable 2 position）。三米高的海浪將指令艙搖來搖去，博爾曼出現不適，等待著漂浮氣囊使太空載具穩定。由於降落時間在天亮之前，降落43分鐘後，來自約克鎮號航母的第一名蛙人才到達太空載具。45分鐘後，三位太空人被運到航空母艦的甲板上。
指令艙目前在芝加哥科學與工業博物館，同時展出的還有洛威爾捐獻的一些在任務中使用的個人物品，以及博爾曼的太空衣。洛威爾的太空衣目前在航空航太局的格倫研究中心。

歷史重要性

阿波羅8號的歷程發生在1968年，一個多災多難的年度。《時代》雜誌選擇了阿波羅8號的3位太空人作為年度人物，以認可他們在剛過去的一年中對人類的貢獻。他們首次做到了離開地球引力影響並環繞另一個天體；他們在成員本身安全係數僅有50%的情況下成功完成了任務。阿波羅8號的影響可以由任務後博爾曼收到的一個陌生人發給航空航太局的電報來總結：「阿波羅8號，謝謝你們。你們拯救了1968年。」
整個任務留下的最重要的畫面之一就是「地出」（地球在月球的地平線上出現）的照片，在環繞月球軌道第四周時拍攝。儘管這張照片並不是人類拍攝的第一張，更不是最後一張完整地球照片，但這是人類第一次拍攝到真正的地出場景。一些人認為這張照片是環境保護運動的開始，1970年就有了第一次世界地球日。
阿波羅8號是1962年由約翰·格倫執行的水星6號首次環繞地球軌道之後媒體報導範圍最廣的太空任務。共有約1200名記者報導了這次任務，其中英國廣播公司（BBC）的報導在54個國家通過15種語言播出。蘇聯的《真理報》甚至在報導時沒有加入往常的反美評論。據估計，當時全球四分之一的人口都觀看了現場直播或是平安夜前播放的錄影——阿波羅8號第九次環繞月球軌道的節目；這次節目在世界範圍內的影響堪稱巨大。任務結束後在世界各地出席活動時，博爾曼會見過教皇保祿六世，教皇告訴他：「我一生都在努力向世界說出你在平安夜時所說的話」。
無神論者麥達琳·默里·歐黑爾後來因為阿波羅8號太空人朗讀創世記而起訴美國航空暨太空總署，導致了大量的爭議；她希望法庭禁止身為政府雇員的美國太空人們在太空公開進行宗教活動。這個要求被法庭駁回，但也使航空航太局在阿波羅計畫接下來的任務中要求太空人不要在太空公開議論關於宗教的問題。執行了阿波羅11號的伯茲·艾德林在登月後進行了聖餐禮；他多年都沒有揭露這件事，當時僅僅是間接地提起過。

任務徽章

阿波羅8號的任務徽章中間有一個環繞著地球和月球的數字8，上面寫著三位太空人的名字。徽章背景為藍色，三角的形狀來自於阿波羅指令艙的外形。