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Die Apollo-8-Mission sollte die so genannte D-Mission im Apollo-Projekt werden. Diese sah vor, die Mondlandefähre (LM) im Erdorbit zu testen. Da LM-3 bedingt durch Gewichtsprobleme und damit verbundene Konstruktionsänderungen noch nicht verfügbar war, entschloss sich die NASA kurzfristig, die Apollo 8 ohne Landefähre zum Mond zu schicken. Das primäre Ziel der Mission war nun die erste Umrundung des Mondes mit einem bemannten Raumfahrzeug.
Der Start erfolgte am 21. Dezember 1968 12:51 UT ab Cape Canaveral, Florida vom neu erbauten Startkomplex 39A. An Bord waren die Astronauten Frank Borman als Kommandant, James A. Lovell als Pilot der Kommandokapsel und William A. Anders als Pilot der Landefähre. Die fehlende Landefähre wurde durch zusätzlichen Ballast ersetzt. Zum ersten Mal in der bemannten Raumfahrt kam die Saturn V zum Einsatz, die bis dahin leistungsstärkste Rakete.
Am 24. Dezember schwenkte die Crew in die Umlaufbahn des Mondes ein. In den folgenden 20 Stunden umkreiste das Apollo-Raumschiff zehn Mal den Erdtrabanten. Zum Teil wurde der Flug live im Fernsehen übertragen, während die Mannschaft aus der Bibel las. Es wurden zahlreiche hochauflösende Fotografien von der Oberfläche und von möglichen Landeplätzen gemacht. Die Flugbahn führte auch über das "Meer der Ruhe", dem zukünftigen Landeplatz von Apollo 11. Bei jeder Umkreisung verschwand die Kapsel für etwa 30 Minuten hinter dem Mond, so dass die Astronauten als erste Menschen die Mondrückseite betrachten konnten (Fotos davon waren bereits durch die russische Sonde Lunik 3 gemacht worden).
Bedenken hatte die Bodenstation wegen des Manövers, das Apollo 8 wieder aus der Mondumlaufbahn in Richtung Erde bringen sollte. Es musste von der Crew ohne weitere Unterstützung durchgeführt werden, da sie sich zu diesem Zeitpunkt auf der Rückseite des Mondes im Funkschatten befand.
Am 27. Dezember 1968, 15.51 UT wasserte die Kapsel schließlich im Pazifik, wo sie von dem Flugzeugträger USS Yorktown aufgenommen wurde. Aus technischer Sicht war dies eine der problemlosesten Missionen des gesamten Apollo-Programms.
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