1968年12月21日，清晨7点多，太阳刚刚升起，人们就已经聚集在海滩上，或者停在NASA肯尼迪航天中心附近的公路旁。阿波罗8号的宇航员们已经系好了安全带，坐在指令舱里。当阳光洒满大地，发射倒计时稳步推进。扩音器里传来播报，告知人群导航计算机正在进行飞行方位角的最后检查，然后在倒计时还剩8秒时宣布点火顺序已经启动。那天早上7点51分，土星V号火箭从发射架上笨重地升空，速度越来越快，爬升得越来越高。十四秒后，指令长弗兰克·博尔曼喊道：“滚转和俯仰程序。”敏锐的观察者会看到火箭绕着垂直轴旋转，并好奇为何——火箭看起来是对称的，为何在倾转进入轨道之前还要先滚转？那些观察者会问自己一个非常有趣的问题。
要理解土星V号为何要有滚转程序，我们必须从它的旅程开始讲起：在发射架上。佛罗里达州39号发射综合设施的发射架是按照东西南北四个基本方向建造的。发射架下方的火焰沟朝向南北，而支撑火箭直到它离开地球的脐带塔则位于火箭的北侧。宇航员们仰卧在座椅上，头部朝向正东方，这意味着指令舱的舱门也朝向东方。
从这里，我们可以轻松理解这个问题的另一个关键部分，那就是土星V号的三根轴。像任何在空气中运动的机器一样，土星V号有三个可以旋转的轴：x、y和z轴。x轴是垂直轴，从上到下；这是滚转轴。y轴是偏航轴，穿过火箭中部，南北走向。z轴与y轴垂直，东西走向。这是俯仰轴，也是我们接下来需要讨论的轴。
工程师们早已知道，将有效载荷送入轨道的最简单方法是让火箭垂直发射，然后向东倾转。这利用了地球的自转，以实现更有效的飞行。但土星V号并非将阿波罗送入地球轨道，而是将阿波罗送往月球，而这使得发射变得有些棘手。
地球的轴线相对于黄道平面（所有行星都在该平面上旋转）倾斜了约23度。因此，绕地球赤道运行的航天器会周期性地通过黄道面之上和之下。就像那架航天器一样，月球也绕地球运行，但不是绕赤道。月球轨道平面相对于地球自转是倾斜的，倾斜的确切角度会根据月球在其轨道上的位置而变化。
从地球赤道轨道飞往月球是可能的，但改变两个天体之间的轨道倾角不仅需要大量燃料，还会使自由返回轨道——即航天器从月球附近弹射回来的轨道——变得不可能。因此，NASA选择以一个倾斜的地球轨道开始月球任务，以简化飞往月球的飞行。而这让事情变得更加复杂和有趣。
通过根据特定的月球着陆点计算任务轨迹，任务规划人员确切地知道阿波罗航天器需要进入地球轨道的哪个轨道。这就是所谓的飞行方位角，简单地说，就是火箭相对于地球真北方向需要飞行的方向，以使其进入所需的轨道。
因此，飞行方位角是相对于基本方向计算的，而火箭在发射架上的对准也是相对于相同的基本方向。同时，NASA希望土星V号采取简单的“垂直上升然后倾转”的路径进入轨道。解决方案因此相当简单：让火箭滚转，使其方向与飞行方位角对齐，然后启动一个简单的俯仰程序。这正是土星V号所做的。
整个发射过程由位于土星V号S-IVB上面级的仪器单元内的导航平台引导。这个万向节安装的导航平台使用三个嵌套的陀螺仪来保持预设的方位，在这种情况下是飞行方位角。陀螺仪快速旋转，抵抗其轴的旋转，因此，当火箭飞行时，陀螺仪会感受到任何试图旋转的力，伺服电机则通过维持平台所需的方位来响应，从而使火箭保持在其航向上飞行。
飞行方位角是根据发射时间和月球着陆点为每个特定任务计算的，并在火箭切换到内部电源后不久就被编程到仪器单元的导航计算机中。这个对准是通过距离发射架正南方向约689英尺的经纬仪保持的；它通过仪器单元上的一个窗口发出一束光，帮助其保持稳定。这产生了非常有趣的效果。在仪器单元被经纬仪锁定到飞行方位角之前，它是自由的，所以如果你能站在发射架旁观察土星V号一整天，你会看到仪器单元似乎完整地转了一圈，而实际上，是火箭的其余部分随着地球在转动。
在发射前17秒——即发射前17秒——导航平台从经纬仪上释放。通常的指令是“导航已内部化”，尽管正式上这个时刻被称为“导航参考释放”。从此刻起，仪器单元将无论如何都会将土星V号保持在其飞行方位角上。
发射后大约一秒钟，土星V号进行了第一次飞行机动。偏航程序是指火箭向远离发射塔的方向令人不安地倾斜，这一举措旨在保护它免受任何未能移开的摆臂或强风的侵袭。
发射后约12秒，进行了第二次机动，即滚转程序。火箭在此阶段滚转，以使其与导航计算机指定的飞行方位角对齐，该方位角通常为72度。下一个机动是相对简单的俯仰程序。火箭缓慢地采取水平飞行路径，结合滚转，将阿波罗航天器置于前往月球的完美位置。
滚转是火箭的一个相当标准的机动，确切的滚转取决于有效载荷的期望轨道。航天飞机在发射过程中也经历了滚转程序，并且由于它不像土星V号那样是圆柱形对称的，因此它的滚转更加明显。航天飞机在发射架上的对准也与其俯仰轴指向南北而不是东西不同，这需要比土星V号大得多的滚转。
航天飞机利用了阿波罗设施，在发射架上的位置与土星V号相同，其俯仰轴东西向。发射后不久，它会滚转到一个倒置的位置，航天器的顶部朝向地球，以便天线可以与地面跟踪站建立联系；车辆下方的天线被外部油箱和固体火箭助推器遮挡。从那里开始，航天飞机与土星V号一样，为了将自己对准特定轨道的飞行方位角而进行滚转。
来源：感谢David Woods，他为我梳理了理解土星V号滚转程序的复杂性！也感谢他在出版后捕捉到了一些棘手的措辞和错别字。购买他的书：How Apollo Flew to the Moon；CollectSpace；NASA；aerospaceweb.org；Apollo 8 timeline；Apollo 8 transcript。
