Полет к Луне и так осуществляется почти по прямой (если не считать очень медленные траектории с использование ионных двигателей). Точнее это дуга очень сильно вытянутого эллипса. Выйти на такую траекторию можно и сразу при старте, без задержки на околоземной орбите. Задержка служит не столько для экономии топлива, сколько для проверки всех систем перед стартом в Луне, а также для уточнения и корректировки траектории перед финальной фазой разгона.
В принципе можно лететь по прямой на Луну. Для этого нужно в процессе разгона сделать маневр, дабы войти в плоскость орбиты Луны и компенсировать окружную скорость космодрома, связанную с вращением Земли вокруг своей оси. Иначе говоря, выйти на радиальную прямолинейную траекторию. Вот первые недостатки этого варианте полета.
Основными потерями энергетических ресурсов являются гравитационные и аэродинамические, связанные с действием притяжения Земли, сопротивлением атмосферы. Поэтому ракеты стартуют вертикально, чтобы пока скорость мала, быстрее преодолеть плотные слои атмосферы. Ракета может взлетать только в случае, если реактивное ускорение превышает ускорение силы тяжести g. Поэтому при длительном по времени вертикальном разгоне велики гравитационные потери. Если реактивное ускорение превышает g в два раза, то гравитационные потери снижают скорость на 50 %. Если первое ускорение в четыре раза больше за второго – на 25 % и т. д. Из вышесказанного следует: на первом этапе разгона для двух вариантов полета имеем равные потери по топливу.
Для выхода на круговую орбиту ракета постепенно отклоняется от вертикального курса и переходит в горизонтальное направление. На этом участке разгона гравитационные потери обуславливаются проекцией g на вектор скорости, что дает экономию по топливу. На завершающем участке разгона с круговой орбиты переход по касательной на эллиптическую или параболическую происходит уже почти без гравитационных потерь, что весьма важно для космонавтики.
Полагаю, для полета по прямой на Луну потребуется дополнительно 15 – 20 % топлива. Многое зависит от массы полезной нагрузки, суммарной скорости, числа ступеней, скорости истечения газов, коэффициента совершенства конструкции, времени планируемого полета.
Вообще - всё зависит еще и от массы выводимого полезного груза к Луне. Чем больше космонавтов летит, тем больше им нужно запасов и объемов систем жизнеобеспечения. Соответственно, нужно больше топлива - причем в основном для преодоления земного тяготения для выхода на орбиту Земли. Дальше лететь к Луне - уже много топлива в космосе не надо, особенно с учетом использования притяжения Луны и Земли.
Например, для взлета с Земли и вывода на орбиту к Луне космического корабля "Аполлон" с полезной массой в 47 тонн (включая трех астронавтов) потребовалось 2,8 тысяч тонн топлива.
Для коррекции траектории на пути к Луне и назад потребовалось всего только около 18 тонн топлива.
Поскольку новая современная, планируемая для полета вокруг Луны по орбите в начале 2020-х годов, американская ракета SLS по расчетам будет на 10% мощнее, а вес нового пилотируемого корабля "Орион" с 4-мя астронавтами - почти в 2 раза легче "Аполлона" (25 тонн), то и топлива понадобиться меньше.
Если лететь с такой скоростью, то даже от Земли не оторветесь, рухните где-нибудь недалеко от места старта. До Луны (со школьного учебника) 384 тыс километров. Расстояние это иногда уменьшается и увеличивается соответственно орбите Луны вокруг Земли. Чтобы оторваться от Земли, скорость должна быть 11,2 км/с. Только с этой скоростью можно выйти дальше от Земли, но не факт, что она вас не притянет назад. На примере американского корабля "Аполлон-11", который вышел на траекторию полета к Луне со скоростью 10839,2 м/с, можно увидеть, что скорость меньше второй космической (11,2 м/с), значит выйти за территорию постоянного притяжения Земли можно и с меньшими скоростями, но двигаться дальше со скоростью 11,2 м/с практически невозможно. Нужно повышение скорости. Но на расстоянии 202 136 км от Земли корабль совершил небольшое маневрирование и стал двигаться со скоростью 1535 м/с. Переводим все это в км/ч и получаем 5526 км/ч. По крайней мере это только скорость корабля "Аполлон-11" в далеком уже июле 1969 года. Сейчас наверняка скорости были бы больше, космическая техника от того времени совершила прыжок вперед, вот только путешествия к Луне завершились.
На поверхности Луны остался не один лунный модуль, а посадочные ступени шести лунных модулей от "Аполлонов" - с номера 11 по номер 17 (кроме 13-го, который из-за аварии на Луну не садился), которые высадили там в общей сложности 12 астронавтов США в 1969-72 годах. Астронавты парами и улетали назад на этих лунных модулях к космическим кораблям на орбите над Луной.
Увидеть с Земли в телескоп посадочные ступени нельзя, слишком мелкое разрешение, но недавно лунный орбитальный спутник LROC сделал подробные снимки всех шести мест посадки "Аполлонов" - cо ступенями, оборудованием, следами астронавтов и роверов на лунной пыли:
Остальные фото LROC пяти ступеней на Луне можно посмотреть в этом похожем ответе.
Первым, видимо, нужно считать Нейла Армстронга, который в 1969 году, летом, и ступил на поверхность Луны, ну, и сответственно, увидел Землю с поверхности Луны. Хотя там ещё и второй был в спускаемом модуле, Олдрин, он тоже видел Землю с Луны.
Занятная, кстати, история с высадкой произошла, сейчас о ней перестали упоминать. Армстронг превысил служебные полномочия. Он обязан был, как командир, оставаться в модуле и контролировать высадку Олдрина. Но амбиции взыграли - как же, первый человек на Луне! - и Армстронг в приказном порядке запретил Олдрину высаживаться первым. Короче, потянул одеяло на себя и вошёл в историю первым. И ему это простили, естественно.
Но представляете состояние и эмоции Олдрина всю оставшуюся жизнь!
Схожи с эмоциями Титова, который должен был лететь первым, а не Гагарин. А причина была по нынешним понятиям пустяковая. (По секрету сообщу, что единственный раз в жизни мне удалось в частном порядке задать этот вопрос Титову, где-то 20 лет назад, и он подтвердил мою подростковую догадку.)
Сейчас вроде бы готовиться российская экспедиция на Луну. Зачем летать на Луну - вопрос интересный, из серии, ^зачем летать в космос или зачем погружаться на дно океана^. На такие вопросы убедительного ответа,по моему, нет .
Ну может быть такой - экстремальные экспедиции могут принести невероятные открытия и ,кроме того, это неплохой способ узнать, чем же на самом деле занимаются учёные? Даром проедают хлеб или действительно что-то новое создают? Так сказать, проверить учёных ^на слабо^.
А на Луну перестали летать в 80-е. До этого сначала летали, потом по Луне долго ездил советский луноход. Ну а с 80-х нам стало ^не до того^, а почему американци не летают, так кто их знает. Но Луна пока практически не изучена и к тому же это прекрасная база для отработки экспедиции человека на Марс.