Наступил день запуска, 21 декабря, который должен был быть произведен с площадки 39-А в 7:51 утра. Центр управления полетами располагался на расстоянии 5,6 км, и все инженеры, техники, личный состав управления полетом собрались, чтобы наблюдать и контролировать запуск космического корабля «Аполлон-8». У всех в НАСА полет вызвал сильное волнение; все вполне осознавали, что это поистине исторический полет. Длинный обратный отсчет прошел по заданному сценарию; не было никаких помех. Когда до старта оставалось 15 минут и шла последняя проверка, Борман и его команда поняли, что полет на Луну уже неизбежен. Проследовали последние минуты отсчета, глаза всех, кто следил за подготовкой к старту, не отрывались от «Сатурна-5». Момент воспламенения выглядел впечатляюще: когда двигатели включились, из подножия ракеты вырвался стремительный поток огня и дыма. Затем удерживавшие ее скобы разошлись, и «Сатурн-5» поднялся над своей стартовой площадкой. Гигантская ракета быстро набрала высоту и скорость, которая уже через 40 секунд стала сверхзвуковой. Примерно через 11 минут полета «Аполлон-8» находился на орбите на высоте 190 км над Землей. Теперь скорость космического корабля была 27 840 км/ч.
В конце второго витка Центр управления полетом НАСА голосом Майкла Коллинза дал команду включить двигатели, чтобы направиться к Луне: заработала ракета третьей ступени, которая помчала космический корабль «Аполлон-8» с околоземной орбиты по направлению к Луне. Теперь ракета несла космический корабль со скоростью 38 762 км/ч по пространственной кривой, которую в НАСА называли «траекторией свободного восстановления»: если не будет никаких дальнейших маневров, космический корабль «Аполлон-8» промчится вокруг Луны, после чего направится назад домой через 136 часов полета в космосе. Однако план полета предусматривал 10 облетов Луны с целью отработки навигации и фотографирования, что означало возвращение экипажа на Землю через 147 часов полета.
Преодоление грозной бездны, разделявшей Землю и Луну, было для экипажа совершенно новым опытом. Они не ощущали никакого движения, несмотря на значительное увеличение скорости при выходе с орбиты Земли. Для четкого определения своего положения в космосе экипаж полагался на данные Центра управления. Они испытали ни с чем не сравнимое чувство, когда увидели, как удаляется от них Земля, становясь все меньше и меньше. Они находились в мире невесомости, где не было ни низа, ни верха, ни дня, ни ночи, и им казалось, что они неподвижны. Долгие часы Луна оставалась вне поля зрения; цель их путешествия появится только в конце. Команда «Аполлона-8», мчась по окололунной пустоте, была вынуждена осознать, что все человечество, за исключением троих в капсуле, находится на этой маленькой голубой планете, исчезающей вдали. Полет за пределами гравитационного притяжения Земли — примерно через три дня путешествия — стал важной контрольной задачей лунного полета. Вскоре они вошли в область действия лунного гравитационного поля. Те, кто это совершил, сообщали об остром чувстве одиночества, потерянности и даже незащищенности и уязвимости.
Самой сложной задачей, стоящей перед проектом «Аполлон», была навигация: пройти 374 400 км к Луне и обратно. Выстроить курс «Аполлона» было гораздо сложнее, чем произвести расчет взаимного расположения двух объектов в космосе. В этом случае три объекта — Земля, Луна и «Аполлон-8» — находились в движении, и все три тела, разные по размеру, находились под влиянием гравитации друг друга. Положение каждого тела относительно двух других тел следовало рассчитать с предельной точностью. Только появление компьютеров позволило найти решение так называемой задачи трех тел, и даже тогда только в весьма специфической лунной системе отсчета. Способность Центра управления НАСА предсказать, где будут находиться Луна, Земля и комический корабль «Аполлон-8» относительно друг друга все время, зависела от высокоскоростных компьютеров. Без них произвести множество расчетов направления и скорости и осуществить полет «Аполлона» было бы невозможно.
Так как программа «Аполлон» развертывалась во времена холодной войны, «Аполлон-8» поставил перед американцами новый вопрос. Как будут реагировать русские на непревзойденный успех американцев? По словам астронавта Майкла Коллинза, «советская программа была скрыта от всех, была секретом и тайной, и если наша сторона знала, что происходит, информация никогда не просачивалась из файлов ЦРУ и до нас, работающих в Хьюстоне, никогда не доходила». На личном уровне, во время редких встреч астронавтов и космонавтов, Коллинз познакомился с Павлом Беляевым и Константином Феоктистовым на Авиационном салоне в Париже в 1967 году и позже заметил, что его советские партнеры были «действительно хорошими парнями». И все-таки некоторые паникеры из НАСА опасались, что Советский Союз может попытаться заглушить информацию, поступающую от наземных компьютеров на космический корабль «Аполлон», и таким образом подвергнуть полет к Луне опасности. Чтобы обойти такую опасность, на борт командного и обслуживающего модуля «Аполлона» поместили компьютеры, что было новацией. Хотя по мере осуществления программы оказалось, что компьютеры на борту корабля выполняют значительно более практическую и даже более существенную задачу полета. В конце концов бортовая компьютерная система так прочно слилась с космическим кораблем, что ее стали считать «четвертым членом экипажа». Помимо навигации, в ее функции входило управление несколькими компонентами системы наведения и другими системами. Что касается компьютера лунного модуля, то он обеспечил проведение автономной посадки, взлета и сближения.
Компьютер командного модуля был запрограммирован с помощью шифрованных инструкций для полета к Луне, и программа была записана на нестираемую, покрытую пластиком ленту из намагниченной проволоки. Хотя и примитивно, по он смог доставить астронавтов к Луне и обратно. Несмотря на свою значительную роль, бортовые компьютеры «Аполлона» были очень ограниченными по сравнению с возможностями даже сегодняшних настольных персональных компьютеров. Например, компьютер наведения «Аполлона» весил 32 кг и помещался в плоском ящике один метр на полтора. Он имел процессор с быстродействием 1 мГц, 1 кБ оперативной памяти и 12 кБ постоянной памяти. Сегодня обычный персональный компьютер обладает процессором, работающим в тысячи раз быстрее, и оперативной памятью примерно в 500 000 раз более мощной. Накопитель на жестких дисках заменил постоянную память, обеспечивая в миллионы раз бóльшую емкость.
Миссия «Аполлона-8» была слишком сложной для того, чтобы выполнить все ее аспекты мог каждый член экипажа. Соответственно, каждый астронавт выполнял определенные задачи. Например, помимо выполнения роли командира корабля, Борман отвечал за проведение командного модуля через плотные слои атмосферы при возвращении в случае отказа компьютера. Андерс мастерски овладел системами командного модуля. Лавелл справлялся со сложными задачами навигации по звездам, например, использовал секстант для проверки правильности курса корабля.
После трех дней полета наступил очень волнующий момент: астронавты впервые увидели Луну. Теперь это было огромное небесное тело, вырисовывавшееся в непосредственной близости. Как настоящие первопроходцы, астронавты осуществили маневр выхода на окололунную орбиту: чтобы уменьшить скорость «Аполлона-8» и выйти на орбиту вокруг Луны, включился двигатель служебной ракетной системы объединенного командного и служебного модуля. Двигатель служебной ракетной системы имел только одну камеру сгорания и одно выхлопное сопло, и такое на вид хрупкое устройство обеспечивало и безопасность и успех полета. Выход на окололунную орбиту также производился без радиосвязи с Центром управления полетом. Когда экипаж изучил бортовую инструкцию включения служебного ракетного двигателя для выхода на лунную орбиту, они внезапно погрузились в темноту, так как корабль развернулся и оказался в тени Луны. Андерс глянул на эту черноту и в первое время видел небо, переполненное неисчислимыми звездами. Андрей Чайкин в своей знаменитой книге «Человек на Луне» живо ухватил это необычайное зрелище: «Он потянулся к плоскому стеклу, чтобы посмотреть назад, через свое плечо… и заметил отчетливую дугу, по одну сторону которой вообще не было звезд, лишь одна чернота. Внезапно его поразила жуткая мысль, что эта дыра в звездах была Луной. Волосы у него на затылке стали дыбом».
Космический корабль «Аполлон-8» находился теперь на орбите, на высоте 110 км над лунной поверхностью. Включение ракетного двигателя вызвало страстное желание вернуться домой. Уже двигатель служебной ракетной системы — к облегчению службы управления — заработал по расписанию и без огрехов. Опасения, что «Аполлон-8» мог бы попасть на опасную орбиту или даже разбиться на Луне, оказались напрасными, и теперь можно было ликовать. Поскольку успешный выход на лунную орбиту пришелся на канун Рождества, это совпадение привело к одному из наиболее замечательных эпизодов в программе «Аполлон» — эпизоду, свидетелями которого станут миллионы телезрителей на Земле. Телевизионная трансляция была уже назначена на 24 декабря. Экипаж подготовился к передаче, глядя на необычное зрелище — Земля всходила над Луной. Телепередача началась с описания Борманом событий этого дня и выполненных экипажем многочисленных задач. Затем он описал пустынность Луны. К нему присоединился Лавелл и рассказал о том, как они пролетали над «огромным оазисом». Андерс перечислил прохождение «Аполлона-8» над такими лунными территориями, как Море Кризисов, Море Плодородия, Озеро Сновидений и, наконец, Море Спокойствия. Затем члены экипажа прочитали отрывки из истории сотворения мира в Книге Бытия. После этого Борман закончил программу: «И от команды „Аполлона-8“ мы прощаемся, спокойной ночи, счастливого Рождества и благослови вас всех Бог, всех вас на нашей доброй Земле».
