飛船從地球到月球的航行會走怎樣的軌道路徑？為什麼如此選擇？
最初標題：為什麼不可以從地球直接飛到月球？
最近標題：為什麼「地球 - 月球」之旅不走直線而要在發射後、著陸前分別繞地、繞月轉圈？從地球到月球為什麼不可以直接飛過去降落（直接進入地月轉移軌道），而是要經歷好多次環繞（近月軌道）才可以降落在月球上，不可以飛到月球附近後直接降落在月球表面么？
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2014/4/19 修改：
我（@貓殺）把題主這個問題用專業術語複述了一遍，這樣更接近題主所描述的現象。題主所糾結的，應該不是軌道為什麼不是直的、為什麼要繞圈（題主的用語是」直接「而非」直線「），而是軌道設計的問題。標題里我加了「有時」二字，因為據我所知，是有月球探索任務直接進入地月轉移軌道，而沒有進入近地軌道的，比如嫦娥三號：
嫦娥三號進入近地點高度200公里、遠地點高度約38萬公里的地月轉移軌道。嫦娥一號在地球軌道上經歷多次變軌，才從近地軌道進入地月轉移軌道。嫦娥二號成功突破直接地月轉移軌道發射技術，為「嫦娥奔月」探索出了一條「快速路」。
雖然在問題里說不合適，但這顯然是一個工程的考慮，有在軌測試評估飛行器狀態的餘地，火箭推力限制。還有就是軌道窗口的問題，比如嫦娥三號繞月著陸前，其實就是在等待虹灣區著陸的窗口。
注意以上只是對這次修改做出背景上的補充，而非對原始問題增加了限定。
航天器當然可以直接從地球飛到月球，而且說實話也沒什麼難度，不過前提是，著地前得有減速——應該沒人會喜歡在著陸時附送一個蘑菇雲或者火球什麼的吧～
既然大家都喜歡輕輕的落在月球表面，那也就意味著最好航天器到達月球表面時的速度為0。
既然大家都喜歡輕輕的落在月球表面，那也就意味著最好航天器到達月球表面時的速度為0。
一個可行的方案，是在快到達月球時發動機反向工作來減速，而對於觀眾而言，火箭呼嘯而去，然後一個漂亮的轉身急停無疑的確是非常帥氣……
而我們知道，如果一個物體只在引力作用下繞另外一個物體運動，根據開普勒定律，其軌跡必然是一個橢圓形，因此在發動機結束工作，航天器接近月球前，其軌道將是一個近地點在地球附近，遠地點為距離地球38W公里的橢圓軌道，至於把它叫做霍曼轉移軌道還是地月轉移軌道，都沒什麼關係。
此圖中地球和月球不是真實比例。
當然，這個軌道沒有考慮到月球引力，加入月球引力後，真實的轉移軌道如下圖。
之所以是8字形，是因為這個是阿波羅的軌道，阿波羅軌道最大的特點是：它上面有人。所以NASA選擇了一條「自由返回軌道」，也就是說如果阿波羅飛到月球後，不啟動發動機減速的話，它會自動返回地球，而不會被月球捕獲成為月球的衛星。這個設計在阿波羅13號上發揮了作用——在主發動機無法工作的情況下成功返回地球。很顯然，」自由返回軌道「的參數是高度受限的，因此阿波羅的著月點
之所以是8字形，是因為這個是阿波羅的軌道，阿波羅軌道最大的特點是：它上面有人。所以NASA選擇了一條「自由返回軌道」，也就是說如果阿波羅飛到月球後，不啟動發動機減速的話，它會自動返回地球，而不會被月球捕獲成為月球的衛星。這個設計在阿波羅13號上發揮了作用——在主發動機無法工作的情況下成功返回地球。很顯然，」自由返回軌道「的參數是高度受限的，因此阿波羅的著月點
而對於其他登月器而言，地月轉移軌道的選擇就可以很多了——只要遠地點超越了地月引力平衡點L1，接下來登月器就可以利用月球引力重新加速，滑向月球。
當然，這個軌道忽略了地球和月球的相對運動，所以阿波羅的軌道其實是這樣的：
由於阿波羅是分體式設計，雖然有一個登月艙被丟到月球上了，但大部分的設備、燃料，或者說大部分的質量需要環繞月球運行，顯然，登月器進入繞月軌道後再丟下登月艙，比在下落過程中分離要更有效一些。因此阿波羅是先進入繞月軌道，然後在分離著陸。
顯然，對於其他登月器，尤其是嫦娥這樣的只有登月器的，直接落到月球上也沒問題。
But.. 你要知道，航天工程師都是恨不得給一個部件加上10個功能的主，辛辛苦苦花了這麼多錢把這麼多設備發射到了月球，你居然要它們只能在月球表面工作？任何一個登月器都一定要繞月球轉上幾圈，好充分發揮設備的作用。
接下來，再回到地球軌道上，目前大部分登月器都要繞地球轉幾圈才進入地月轉移軌道，為何不從地球直接發射進入轉移軌道呢？
為了提高火箭效率，所有的化學火箭都採取了多節火箭的設計，同時，登月器的不規則形狀決定了它留在火箭上時，太陽能電板、天線等突出部位要摺疊，外面要套整流罩，因此，當最後一節火箭被拋棄後，登月器需要一定的時間來分離、展開、上電、測試等等工序，而200公里高的軌道上，環繞一圈僅僅需要90分鐘——不是不想快點進入轉移軌道，而是時間實在來不及啊。
所以，目前為止的登月器軌道，大致遵循同樣的規律——先在200公里高度繞地球幾圈，然後進入轉移軌道，到達月球後再轉幾圈，著陸。
But.. 嫦娥的軌道和阿波羅還有非常顯著的區別
嫦娥的繞地軌道，是逐圈增大的，最後才進入轉移軌道，對應的，繞月軌道，是逐圈減小的，最後才進行著陸。而阿波羅要簡單的多。其地球軌道上不存在調相軌道，月球軌道上進入300公里高的圓形軌道後只進行一次降低軌道即可完成登月器分離。
一次變軌機動，變化的軌道參數越大，意味著發動機需要更大的推力，需要更長的工作時間，控制的精度更高，失敗的可能性更大.....
變化的軌道參數越小，則反之，而兩者之間最大的區別在於花費的時間。
對阿波羅，由於裝載了人員，在軌道上多停留一點時間，就需要更多的食品和空氣，而更重要的是，越過范艾倫輻射帶後，空間輻射驟增，對宇航員的影響很大，因此阿波羅的總任務時間是有其上限的，工程師設計時必須優先考慮節約任務時間的方案。而對於無人登月器來說，不值得為了節約時間犧牲可靠性，相反，更多的軌道時間有助於更多的觀測任務。
對於繞月軌道，從圓形繞月軌道先進入近月點不超過20公里的橢圓軌道再進行登月的主要目的，是為了能夠近距離目視檢查預計著陸地點，做登月的最後準備工作，這一點登月器沒有區別。勘誤：
本文中出現了不少錯誤，十分慚愧，十分感謝 @aria aqua @張吉利@機械工程師 和多位知友的大力指正！！
與作者確認後，以下內容已經修改：
1. 嫦娥一號繞地進行三次軌道機動。第一次變軌時，是遠地點點火，然後抬升近地點高度。
2. 嫦娥一號為了變成繞月飛行的衛星，還需在近月點作三次減速機動，機動後的軌道周期相繼是12小時、3.5小時和127分鐘。
3. 長五試射的時間並非本月，目前消息是7月2日，還有可能推遲。
4. 最後，內什麼，嫦娥一號不是登月啊！是探月……
1. 嫦娥一號是「彎彎繞」飛的。
2007年10月24日，嫦娥一號衛星被長征三號運載火箭送入近地點高度200km，遠地點高度51000km的軌道上，軌道周期為15.81小時。
它的整個飛行過程可分為三個軌道段：環繞地球飛行軌道段（又稱調相軌道段）、地月轉移軌道段、環繞月球飛行軌道段。
嫦娥一號發射時，衛星並非直接通過加速進入地月轉移軌道段，而是要繞著地球進行三次軌道機動。第一次在遠地點點火，將近地點高度抬高到600km，這時軌道周期變為16小時，在16小時周期軌道上運動三圈後，衛星再在近地點第二次點火變軌，將軌道周期變為24小時，在此軌道上運行一圈至三圈後，再次到達近地點，衛星進行第三次點火變軌，將軌道周期變為48小時。
嫦娥一號衛星飛行過程平面示意圖
衛星繞著地球進行三次變軌，被稱為調相軌道。衛星在調相軌道運行結束到達最後一個近地點時再作一次大的軌道機動，使衛星進入地月轉移軌道。隨後衛星將沿著這條轉移軌道飛向月球，飛行114小時後到達近月點。為了使其變為繞月飛行的月球衛星，還需在近月點作三次減速機動，機動後的軌道周期相繼是12小時、3.5小時和127分鐘。
衛星的調相軌道三維圖形
調相軌道的目的是為進入地月轉移軌道做準備，方法有多種。最簡單的就是在近地點後一次直接加速進入到地月轉移軌道上。
為什麼沒有採用這種簡單的方法呢？
原因之一是為了節省燃料。如果嫦娥一號直接飛往地月轉移軌道需要更多的燃料以獲取更大的推動力。
原因之二是將幾次近地點機動安排在同一地區方便變軌的實施，有利於地面監測。
原因之三是由於調相軌道中有24小時的軌道可以方便不同日期發射衛星。
地球和月球有相對運動，而且地球本身有自轉。如果想要直接飛上月球而不變軌，就必須得計算出一個發射角度和發射時間。由於受到氣流等因素的影響，我們的火箭不容易完全按指定的時間一秒不差得發射，在地球上也許只是偏差一點，但相隔幾十萬公里之後，這個偏差就不是一點了。
同時，地月轉移軌道為114小時飛行時間也是有原因的。
地月轉移軌道飛行時間一般為3天到5天，飛行時間越短所需要的能量越大，衛星在近地點時飛行速度就要求越大，當到達月球預定軌道的近月點時制動力量就越大，換句話說相當於汽車在剎車時要求的力越大，風險也越大。
為了衛星安全的進入繞月軌道，選用了最小能量的軌道，其飛行時間為5天（120小時），為避免衛星到達近月點時的軌道被月球遮擋，便於我國觀測站對軌道機動的觀測和控制，將飛行時間縮短6小時，因此地月轉移軌道最終的飛行時間為114小時。
2. 有了一號的積累，嫦娥二號在軌道設計上有所改進。
嫦娥二號衛星飛行平面示意圖
一方面開闢了新地月之間的「直航航線」，也就是說，直接將嫦娥二號發射至地月轉移軌道上，待幾次中途修正和近月制動後，就進入繞月軌道。嫦娥一號從發射到進入環月軌道用時約13天14小時19分，而嫦娥二號的地月飛行時間縮短至112小時。
另一方面繞月軌道比嫦娥一號距月表更低，從200km降低到100km的極軌軌道，在100千米高度用高解析度CCD相機，拍攝了國際上解析度最高的7米解析度全月圖，並成功進行嫦娥三號的降落100kmx15km軌道嘗試，變軌到100千米×15千米軌道，在18.7千米高度拍攝了1.3解析度米的虹灣局部影像圖，為嫦娥三號的成功著陸打下堅實基礎。
在這個過程中，突破了兩個難題：在推力方面，嫦娥二號的「直航航線」對運載火箭的入軌精度和入軌速度都有更高的要求，較護送嫦娥一號的長征三號甲火箭增加了兩個助推器；監控方面，增加了X波段，遠距離監控通信效果更好。
嫦娥三號的飛行軌道除了降落段外，其餘基本與嫦娥二號相似。
今年是嫦娥一號探測器探月10周年，據新華社近日的消息，我國將於今年擇機發射嫦娥五號月球探測器，它將著陸在月球正面的呂姆克山脈，開展相應的科學研究。
先祝下個月長五第二次試射順利。
作者：中國科學院光電技術研究所余菲
出品：科學大院
咦，這麼經典的經典力學問題居然沒人來說？沒有人講orbital dynamics？繞地球和月球轉大家也都說了，我從更理論的角度來講講從地球到月球的軌跡吧。有人提到了曲率，但是說得很不完整。
先放張圖，今天的課上完之後來講講怎麼樣能夠最省燃料地從地球到另一個星球
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來更新了。這個要用經典力學(classical mechanics) 里的哈密頓力學(Hamilton Principle) 來解釋。大家熟知的牛頓力學F=ma在這裡用會比較捉急。
要想把飛行器發射出去，就算錢足夠也不能簡單粗暴地直接飛過去。最重要的問題是重量。你需要驅動飛行器的時間越長，你需要攜帶的燃料越多，你的重量就越大，你就需要攜帶更多的燃料。。。所以想辦法用盡量少的燃料來達到目標是最合算的。而從一個星球到另一個星球最省燃料的方法叫Hohmann Transfer。簡單來說就是利用星球之間的引力場走橢圓形。
我們來看圖，以從地球到火星為例
一開始飛行器和地球一樣繞太陽公轉。然後我們稍稍加一下力，讓飛船以橢圓形軌道逐漸趨緊火星的公轉軌道（這中間不需要推進），然後再點火修改軌道，讓飛行器進入火星軌道並著陸。
這個方法最關鍵的地方就是整個從地球軌道到火星軌道的過程中完全不需要推進。飛船完全是在太陽的引力場作用下運動的。
我們可以把整個系統簡單地想像成一個只有太陽和飛行器的中心力問題(central force problem)。
通過應用哈密頓力學，飛行器的軌跡可以表示為
其中m是飛行器的質量，M是太陽的質量
而
是兩個跟能量和角動量有關的常數
所以當我們改變一個2-body system的能量和角動量的話，他們之間的軌跡可以是圓形，橢圓形，拋物線或者雙曲線。
當飛行器繞地球旋轉的時候，可以說大致成立（根據開普勒定律，地球也是橢圓形的軌跡，不過這裡我們只是簡單的計算）。我們可以求出這時飛船的速度
我們需要把飛行器從以太陽為中心的圓形軌道修正到以太陽為焦點的橢圓形軌道，所以要改變它的角動量和能量。
回頭看第一張圖，我們可以發現，我們知道這個橢圓從焦點（太陽的位置）到軌道最短的距離就是地球公轉的半徑，而最長距離是火星公轉的半徑。這兩個信息就足夠求出來我們需要給飛船加到多少速度了。
所以我們只需要把飛船從v1加速度到v2的燃料，就可以坐下來喝杯茶，等著飛船靠近火星軌道了。
把飛船併入火星軌道也是同樣的步驟。就不提了。
把飛船從地球送到月球用同樣的計算方法和模型，只不過這次我們是以地球為圓心以及橢圓形軌道的焦點來計算。
如果感興趣的話可以去看 Stephen Thornton Jerry Marion 的 Classical Dynamics of Particles and Systems 5th Edition的第八章。
圖也都引用自這本書。玩玩KSP就知道了。強烈推薦:）
PS：應知友建議，貼圖兩張，圖片來自網路。
============= 感謝知友 ==============
做一個補充和兩個修改
@pollydiary 以及 @許鋮 都提出了如果沒有自轉會怎樣？比如在北極南極發射。並且@許鋮 指出了我的一個錯誤，今天做一下修改和說明。
另外，在設計軌道的時候，還有很多因素，比如
另外，在設計軌道的時候，還有很多因素，比如軌道傾角【6】的因素，如果真的感興趣可以看看軌道設計專業的相關書籍。但是ANY WAY，在這個問題中，主要考慮的不是理論物理，而是工程技術問題。這個希望航空航天大學以及各種高大上的飛行器相關專業大神來解答。
/* 這裡存在爭議，@許鋮 指出，火箭在垂直階段就突破了音障，但是百度上顯示
大氣層內飛行段[9]：火箭從發射台垂直起飛，在離開地面以後的10幾秒鐘內一直保持垂直飛行。在垂直飛行期間，火箭要進行自動方位瞄準，以保證火箭按規定的
方位飛行。然後轉入零攻角飛行段。火箭要在大氣層內跨過聲速，為減小空氣動力和減輕結構重量，必須使火箭的攻角接近於零。
*/
還有另外一個錯誤，我在圖中寫了一個「同步旋轉」，這個是不對的，會讓人理解成「同步衛星」的那個軌道，這個軌道是特定的高度，改變高度就不能同步了，我後面會做修改，並且感謝@許鋮
@許鋮 大神還指出我對軟著陸【7】的理解有誤，軟著陸不是垂直降落，而是航天器經專門減速裝置減速後，以一定的速度和軌道安全著陸的著陸方式。簡單地說就是用最舒服的方式，不再手繪啦！再次感謝@許鋮 大神。
再說一下廣義相對論在這個問題中的作用，如果你說「空間是不平坦的，因此要繞圈飛」，這句話等價於「火箭受到地球的引力，因此要繞圈飛」，這個高中物理的範疇。除了說法不一樣之外，沒有帶來任何的新東西。原題可能被修改過了，不過也沒關係，因為這相當於 @pollydiary 的原回答只說了這樣一句話，而這句話連破題都不算，更沒有回答出關鍵的考慮因素，沒答到點上，因此我說他的答案是不正確的。對他修改後的答案，我仍然堅持這樣的觀點。當然我很敬佩他的認真態度，很尊重。我尊重並感謝每一位知友，都是我的老師。（這些話還要在知乎上說嗎？沒有這樣的心態你還來知乎做咩？）
如果一定堅持用廣相來解釋，那麼不妨提一個問題：如何用廣義相對論來計算衛星軌道？答案其實很簡單。但是如果你不能回答這個問題，怎麼能證明你對廣相的理解是正確的，怎麼能證明科普讀物沒有毒害你？很多時候，我們自以為懂了，其實還沒懂。我IQ很低，經常是錯的，那就承認，那就改，自己求知學習最重要——飯碗都是師傅給的。（這些話還要在知乎上說嗎？沒有這樣的心態你還來知乎做咩？）
=========== 以下是原來的回答 ============
我覺得有些觀點有必要澄清。 @Linda Lin 的解釋是最重要的，我來圖解一下。這裡要考慮地球和月球的引力和自轉，我們先看火箭靜止的時候，
@葛凱麟 的經濟論觀點也很贊，自轉的能量也是可以利用的！
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當火箭發射的時候
發射之後的情況是這樣的：
如果你想讓火箭"直線"飛向月球，那麼就需要有一個特別奇怪的初始角度，並且在空中需要不停地修正姿態和軌道，以對抗地球和月球引力帶來的彈道彎曲（就是那種拋物線啦），保證火箭直接噴射到月球。
然後當我們的小寶貝降落在月球上的時候，月球一邊繞著地球轉，一邊也在快樂的自己旋轉呢，但是跟我們的寶貝方向是不同的啊，這個時候，直線噴射過來的寶貝就會發生類似於兩個car測臉碰撞。
上圖的前列腺剎車是個示意圖，考慮到月球的引力，大概是這個樣子的。
保險的做法是先跟月亮一起愉快的玩耍一會，等進入繞月軌道之後/*第一寫的是旋轉同步之後，這是不對的*/，就等於垂直於月球表面了，這個時候慢慢下降，然後採取向月球表面噴火或者放屁等剎車手段，反正月球上沒什麼人就隨便搞搞啦。
@許鋮 大神指出，這裡需要理解軟著陸[7]的概念，當然相對的就是硬著陸[8]，相當於不減速直接撞上去了。
考慮了很多因素之後，你看到的登月軌道以及返回軌道大概就是這樣子的了：（如果有版權問題，我立即刪除，邪惡的手繪！）
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下面說一說其他知友的誤解：
第一，不是現在的動力達不到直接射向月球，而是有可能達到，但是誰都不會浪費寶貴的燃料和電腦做姿態調整對抗星球的引力和自轉以及這件事情. 大家應該有逃逸速度[1]這個概念，登月大概需要約大於第一宇宙速度【1】的初始速度，旅行者二號【2】的初始速度達到了第二宇宙速度[1]，現在已經飛出太陽系 。
第二，空間的不平坦在通俗的意義上講是等價於萬有引力，
從牛頓的眼裡，物體之間存在引力，而在愛因斯坦的眼裡，引力就是空間彎曲（不平坦），空間彎曲就是引力，他們兩個是一回事。愛因斯坦是希望用引力場這個概
念來描述引力的，電磁場（尤其是）磁場的概念想必大家都很熟悉了，只不過牛頓和老愛兩個人看待同一件事情的角度和高度是不一樣的，至於老愛為什麼要這麼看
問題，這麼看有什麼好處，就是另外一個論題了。
在地球和月球這個尺度上，用牛頓的引力做計算就能夠得到一個非常精確的結果了，而這個計算與彈道的計算原理是一樣的，就是計算炮彈軌跡的那些東西。主要就是力的合成，速度的合成什麼的，如果要精確定位，可以考慮狹義相對論的修正，做微調。
用廣義相對論的概念，實際上是重新說了一遍地球和月球對火箭都是有引力的這個事實，而這個事實牛頓就已經知道了，沒有增加任何新的原理。因此在這個問題上扯出空間不平坦對這個問題沒有任何幫助，反而增加另外的麻煩。廣義相對論【3】的主要目的，不是解決此類問題的！
-----------------------------------------以下來自百度（閱讀請注意挑百度的毛病）：
1.逃逸速度 （Velocity of Escape）：在星球表面垂直向上射出一物體，若初速度小於某一值，該物體將僅上升一段距離，之後由星球引力產生的加速度將最終使其下落。若初速度達到某一值，該物體將完全逃脫星球的引力束縛而飛出該星球。需要使物體剛剛好逃脫星球引力的這一速度叫逃逸速度。逃逸速度_百度百科
2. 旅行者2號：旅行者2號探測器
3. 廣義相對論 廣義相對論_百度百科
4. 音障 音障_百度百科
5. 攻角 攻角_百度百科
6. 軌道傾角 空間技術_百度百科
7. 軟著陸 軟著陸_百度百科
8. 硬著陸 硬著陸_百度百科
9. 三級火箭 三級火箭_百度百科
題主明顯被課本上的地月系模型給忽悠了……如果我們以精確的比例放大地球和月球的關係，你可以這樣想像他們的大小：一個籃球場，這端擺了一顆藍球是地球，那邊擺了個蘋果是月球，月球的公轉時速大約是36000公里，也就是說這就好像你要登上10公里外的一輛正在飛奔的汽車，看到車在前面直接走過去肯定不行，等你過去了汽車早沒影了，所以首先要掌握好提前量，你需要正好走在汽車和你同時到達的交點上去才能正好趕上這輛車。
至於為什麼要繞圈圈，別人都說的很清楚了，我就不廢話了發射入軌時有火箭的入軌誤差需要修正，修一次還不行，因為要標校軌控發動機，所以一般中途修正會有2~3次，到了月球之後還不能直接降落，因為有落點的精度要求，一般要將圓軌道變成橢圓軌道，再進行制動，制動之前為得到精密的軌道，需要進行至少幾個小時至幾十個小時的測定軌，大致過程就是這樣，希望能幫到你。
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補充：很多人將繞圈和直線軌跡等同，衛星飛行走的測地線在重立場中是圓錐曲線的一種，肯定不是直線，要走慣性系中所謂直線，火箭燃料肯定承受不起。
至於繞圈問題，繞圈絕不是火箭燃料的問題，請自行搜索「自由返回軌道」，即將發射的嫦娥五號就是入軌直接到達月球，知乎墮落了
實際經過環繞的軌跡才更接近於引力場下的「直線」。
比如在地球上的平地上，（我們認為引力場是均勻的）有一定初速度的物體在不受外力的情況下直線運動。要想從A到B，一開始加個速，最後剎個車，中間不用管，走個直線就過去了。
在地月引力場下，有一定初速度的物體不受地月引力以外的其他作用時怎麼運動呢？基本上就是實際軌跡那樣。一開始加個速，最後剎個車，也還是要像實際軌道那樣繞著月球轉圈落下去。
要是非要走一般理解的那種直線，那相當於在地面上非要拐來拐去地走，多麻煩啊。還費油。
至於為什麼環繞多次，就是 @Nano L先生提到的軌道校正和測定啊之類的要求了。我也是外行，但是我的觀點是，這樣子飛是為了減少能耗/工質損耗，因為攜帶的燃料/工質是很有限的。為了減少燃料和工質的損耗，就要充分利用一切可以利用的能量，比如發射的時候就帶著的地球自轉速度、進行軌道飛行時的地心引力等。如果不考慮燃料/工質的限制，完全可以直接對準月球衝過去。
好比你要從開車 A 地到 B 地，你可以一開始狂踩油門，快到的時候再來個急剎車，這樣當然可以最快的方式到達目的地，但是油耗之大就不用說了。你也可以把車控制在比較適當的速度上，讓空氣阻力不要太大以減少額外能耗，快到的時候把油丟掉利用慣性慢慢滑到目的地，這樣子油耗就會小很多了，自然時間也耗得多了。這看上去是一個不錯的想法，但在現有技術條件下不一定是個好的方案
在重力作用下，飛行器的軌跡是有曲率的，速度越快，曲率越小
假如說你有個非常非常牛逼的發動機提供動力，你想讓它加速度多大它就能多大，直到能瞬間讓飛船速度大到接近光速的程度，那麼你在地球上對著月球在你預定飛船到達的方向上讓你的飛船來那麼一發……好吧這個軌道確實足夠直，你的飛船也能「到」月球，但是估計這下月球要被打穿了，而且你還停不下來（加入你的飛船撞不壞的話）……嗯哼我的征途就是星辰大海你月球算個毛？
假如說你還想完整地在月球上拍兩張照片回來發微博的話呢，你就得考慮怎麼停下來不是？所以說呢，怎麼讓你的飛船被月球的引力場捕獲並且小於「月球的第一宇宙速度」也是很重要的一件事。當然咯，我們還可以假設你有好多非常非常牛逼的發動機，可以提供你減速所需的加速度……
好吧我們又要「但是」了……假如你是想自己乘飛船去月球的話，你可有考慮過這個加速度是否是人體可以承受的？別說人了，各種飛船內部的結構所用材料是否都能耐受這樣的加速度的考驗？
就算不用考慮哪些，那麼我們現在應該有此次月球之旅的路線（也就是預定軌道）了，接下來就是該解方程算這個飛行器該怎麼造了是吧？自重多少？用啥燃料？氣動外形？各種各種參數全都試完之後，不知道能不能找到這麼一個解……
要是題主不小心在歷經千辛萬苦之後算出了這麼一個方案的話……孩子，去北航吧，祖國需要你……假如你沒有算錯的話
相信我，你看到的嫦娥號的那個蛋疼的軌跡已經是我們現在技術水平下最好的選擇了。
可以參考這段遊戲視頻，下面是到B站的鏈接：
【坎巴拉太空計劃】全地形多功能月球車（偽），P2有發射著陸過程(2)
贊同前三名的回答。 加起來比較完整了
提一點建議 題主可以去玩一下 Kerbal Space Program ， 然後感受一下所謂的「直達月球」的方式 。你會發現本來可以飛到太陽的燃料預算也很難經得住這樣消耗。。。我是個外行，我的解釋會很業餘：
因為地球和月球都在轉啊！
你想像兩顆靜止的球，你覺得從一顆球到另一顆可以走直線。
但是這是兩顆在高速狂轉的球啊，你從第一顆球出來的方向就不可能垂直指向另一顆啊，是被甩出來的你能腦補不？
不轉向變軌能行？
其實我不知道對不對，坐等專業人員來糾正。直線不比曲線省能量，在安全性上更差。曲線由於繞月軌道還能很方便地選降落地點，誤差比直線小的多。直線唯一的好處大概就是省時間吧，人家真的在乎省那麼點時間？
PS：注意看文章最下面的說明
（題目已經被編輯過了，本回答針對原題目：為什麼不能直接從地球飛到月球？ 答主微博上有截圖為證，微博@pollydiary）
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（04.21 補充聲明：
1、答主不是物理學專業，想看非常專業回答的請跳過。（當初回答這個問題很偶然，也沒想那麼多，但是後來不斷有人提出批評，也在不斷解釋和補充，現在感覺很累，不想再繼續了。恩，我只是一個物理學的粉絲，知識主要來源於科普書籍和紀錄片，不相信的請直接跳過）
2、關於為什麼要反覆轉圈，原因有很多，答主回答的角度只提供了一種解釋。就像@貓殺前面問題描述裡面補充的：「有在軌測試評估飛行器狀態的餘地，火箭推力限制。還有就是軌道窗口的問題」。。。所以嚴格說這不是一個物理問題 ，而是一個工程問題（不止一個人的看法）。。想了解工程層面解釋的請略過。請參見@Nano L的回答
3、為什麼要用廣義相對論的時空模型，是因為廣義相對論是最簡潔的也是最容易理解的，用比喻就能把問題說清楚。關於這個理論本身還有人%我真的受夠了，不想解釋了，愛信不信吧：）
4、由於存在一些異議，我自己理論知識有限，一直很擔心給人造成誤導，本著認真嚴謹的態度，我專門去諮詢過理論物理專業的大大，具體細節就不說了，那樣顯得有點仗勢欺人狐假虎威的感覺（也沒去徵得人家同意曝光）。總之現在良心已安。
總而言之…親愛的，你愛信不信吧：）
提供一張阿波羅登月軌道圖，貌似這樣就能有權威性？
提供一張阿波羅登月軌道圖，貌似這樣就能有權威性？
廣義相對論時空彎曲想像圖（來自科普書籍）
廣義相對論時空彎曲想像圖（來自科普書籍）
時空彎曲對光線的偏折
時空彎曲對光線的偏折
補充完---9：49分又對補充說明做一點修改-----11:23增加圖片---以下原文未修改）
-------原回答：--------------------------------------------------------
空間不是「平坦」的，星體的重力場就像是一個大坑，如果想從地球飛到月球，就相當於從一個大坑跳到另一個小坑裡。
好吧用一個比喻。你現在忽然變小了，然後被困在一個碗里，你只有一輛自行車。如果你想從底部直接往碗上面騎顯然做不到，因為你的力量很小，所以你就騎著自行車圍著這個碗轉圈，然後逐漸增加速度，等你的速度快到一定程度，你只要改變一下方向就能跳出這個碗了。
這就是用離心力（慣性力）來克服重力。衛星之所以在軌道上掉不下來，是因為衛星的離心力抵消了星體的重力。實際上，重力場是無所不在的，在空間軌道上仍然受到來自於地球，太陽等星體的重力。
你想直接從地球飛到月球，就是相當於直接把自行車騎上這個坑（地球），然後再下到另一個坑（月球）里。這樣做應該是可以的，但是現在的化學能火箭推力可能做不到（效率不高？）。不如老老實實轉圈。
重力場想像圖：
PS：根據知友提示，補充說明一下，第一句「空間不是平坦的」，這裡的平坦不是物理學意義上的沒有邊界，而是指由質量引起時空彎曲。
就是把空間看做是一層膜，星體的質量會造成膜的塌陷（如圖）。那個碗和坑的比喻也是想比較形象的描述引力場，因為我暫時想不到更容易聽懂的描述。
如果不是學物理的，平坦這個詞在原文中沒有歧義，我也可以改成這樣說：空間是起伏不平的，就像大地一樣。就只是一種形象的比喻。
補充2：
本回答沒有考慮到星體自轉和公轉的的問題，參見其他知友回答補充。
引入廣義相對論的宇宙，是為了更好的能夠理解空間。
補充3：問題的題目已經被別人編輯過了，原題目是更有開放性的：（為什麼不能直接從地球飛到月球？）。我的回答和很多早期的知友的回答都是包含從發射到降落階段整個過程。而現在的題目只是變成了軌道設計的問題（為什麼要轉圈），而不再包括上升階段和下降階段要依靠慣性力來減小過載。
（04:20 09:06 補充：剛看到修改題目的@貓殺對修改做了澄清，我也做一下解釋。最初看到題目的時候沒有太注意下面的注釋，所以把它當成了一個很開放的問題，甚至沒有把它局限到嫦娥任務上，因為還有阿波羅登月，以及其他的探月項目（國外）。所以我的回答主要是考慮了在起飛階段要克服重力場的問題。而在空間軌道上進行多次繞飛的原因，實際要複雜的多。軌道設計要考慮精度調整測量等因素…說這句話很沒底氣：），這不是答主了解的領域，請看其他專業知友的回答-----補充完---原文未修改）
我不是學航天的，推重比的觀點來源於果殼的文章【新人必看】：基本名詞/概念介紹
關於推重比的小技巧1：合適的起飛推重比在1.3-2之間，推重比太低浪費燃料，推重比太高小心火箭散架 ，在FAR（真實氣動）插件下，高推重比的火箭在轉向過程中很有可能咔擦
補充4：我同意@Angel的看法，自轉其實不是問題關鍵。自轉只是問題的另一個層面。緯度的影響並沒有那麼大，不然所有的發射場就全部建在低緯度的赤道附近了，實際上有些發射場的緯度並不低，比如俄羅斯的發射場，緯度都比較高。
利用地球的自轉能提高初速度，這只是繞飛的原因之一，但我認為不是主要的。@Sean Go只考慮了自轉的問題，卻否定了我的廣義相對論時空彎曲的解釋。
做一個假設，火箭如果在南極點發射，實際上已經不受自轉效應的影響，但是火箭仍然不可能直接垂直發射進入軌道，仍然需要傾斜軌道。此時用廣義相對論對時空的模型才能解釋：也就是我前面說的，因為火箭的推重比設計不能過高（就是不能在短時間內施加很大的推力，因為工程結構設計限制等問題），只能通過緩慢加速來減少過載（也就是減少單位時間內的推力）。這就相當於@曹夢迪的那兩幅圖（登山）的原理。也是我用碗和自行車比喻的原理。
（04.19 20:39補充：原文不做修改了，只增加一些數據支持：在地球赤道上的自轉線速度為 465米/秒。第一宇宙速度，也就是航天器環繞速度和最小發射速度是7．9公里/秒。假設火箭以第一宇宙速度垂直發射，進入近地軌道高度（100多公里）只需要不到20秒，就算考慮加速的過程，也在幾十秒內。假設20秒的話，偏移只有不到9公里，但此時距離地面150多公里，大家可以算一下偏轉角度。所以這（地球自轉）不是主要因素。-------補充完 23:19修改一處：「進入近地軌道高度（100多公里），增加高度兩個字」--------其他原文未修改，有疑問請看編輯記錄。）
（04.19 20:59補充：如果在南極點和北極點發射，不需要考慮自轉的因素，如果在最低緯度的赤道發射，只需要很小的發射傾角就能克服自轉的影響。-------補充完---原文未修改）
說幾句題外話：
答主已經因為此問題疲憊不堪了。答主並非物理學專業，而只是一個物理學的粉絲，只是很偶然的表達了一下見解，沒想到會有這麼多的關注。我自己也有一種很無辜的感覺。
上面已經做了很多補充，我覺得問題已經講的很清楚了，不想再繼續解釋下去了。
因為我不是學物理出身的，而且數學也不好，所以不能用很多公式和物理模型來解釋，只能用很通俗易懂的語言。
另外，感謝很多知友給的贊，我相信這裡面有很多人的想法和答主是一致的，想到這一點就很欣慰，就覺得很滿足了。暫時先不關注此問題了。謝謝！
---補充5：------------------------------------------------------------------------------------------------------------
以下內容和本話題並不直接相關，只是想用自己的理解談一下廣義相對論的時空觀，對一些概念做澄清，也算是對自己前面觀點的補充。（再次聲明，本人非物理學專業，觀點僅供參考）
「在廣義相對論上，萬有引力來源於存在質量對時空的扭曲，而不是一種力的作用。」
「在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）」引號內的內容來自百度百科
看得懂前面引述的不用看下面我的解釋
我以自己的理解，用低俗物理語言（感謝知友給的評價：）解釋一下：
意思就是說，引力之所以存在，是因為時空本身被彎曲了，星體周圍的空間就像被壓出一個坑或碗（參考引力場的圖片）。時空是彎曲的，所以我們才會感受到引力，用個形象的比喻，就像站在一個斜坡上，就會感覺自己被往下拽。（簡單說，為什麼會有引力，因為你站在高出）
假設在不存在引力場的地方（實際不可能），我們是感受不到任何引力的，你不必擔心被什麼東西吸引過去（掉下去）。再說一遍，引力存在是因為我們在引力場裡面，引力場存在是因為質量（星體）扭曲了空間，空間不「平坦」了（壓出了一個坑）。
「離心力（Centrifugal force）是一種慣性的表現，實際是不存在的。為使物體做圓周運動，物體需要受到一個指向圓心的力－－即向心力。若以此物體為原點建立坐標，看起來就好像有一股與向心力大小相同方向相反的力，使物體向遠離圓周運動圓心的方向運動。……
「在慣性參考系下是沒有慣性力的，在非慣性參考系下（如旋轉參考系）才需要有慣性力」
「物體在重力場中的運動等效於物體在非慣性系中的運動，或者說引力場與慣性力場等效」
引號內的內容來自百度百科
再用我的低俗物理語言解釋一下（看得懂前面引述的不要看）：物體是依靠慣性直線往前的，但是你非要它轉圈（比如衛星繞地球轉），這樣等於給它了一個拉力，其實是你拽住它了，但是你的感覺是，哎？它怎麼在拽我呢？原來它有勁（離心力）兒啊。實際上是你拽的它。
好了，前面說了引力場（坑或碗）讓你往下掉，然後你騎自行車圍著碗轉圈（衛星圍繞地球轉同理），這時候按理說你應該能被甩出去，但是你在一個坡上，這個坡也在往下拽你，所以，這個拽你的力（引力）和你想走直線的力抵消了（離心力）抵消了。這就是為什麼月球圍著地球轉，地球圍著太陽轉。這可以解釋宇宙中的各種星系和星體的運動。
其實很多人評論說沒有離心力是對的，但是怎麼沒人說沒有引力？
其實這些力只是一種現象，為了能夠讓人理解，並且和日常經驗結合，使用一下也沒什麼，因為我們的常識很多還停留在經典物理階段。其實理解廣義相對論的關鍵就在於對時空的全新的看法。
PS：本來因為這個話題一直心情不好，甚至有點想躲開，但是又想這不是正確的態度。我來知乎只有很短的時間，對這裡的很多大大都很仰慕，回答這個問題也只是一個偶然，引起了這麽多的關注，真的很不安。我已經做出了很多澄清，並且一再表示自己的非專業性，因為很擔心給別人造成誤導。但我又覺得我的基本觀點是正確的，只是缺乏一些嚴謹性。另外，一個問題也有不同的層面，我只是給出一些我自己了解的角度。謝謝！
這個軌道叫霍曼轉移軌道，霍曼轉移所需能量最低。
嗯，題主你的問題其實變了，真的變了。
你一開始問的是「為什麼地月飛船不能走直線」
而後來這個問題變成了「地月飛船為什麼要繞圈（圈數》1）「
這兩個問題其實不等價，不走直線也可以不繞圈的，或者只繞一圈就走。但是飛船繞地球好幾圈再出發這和軌道設計關係不大。
第一個問題的答案是節約燃料，減少整體的燃料消耗。
而第二個問題，繞圈其實不省燃料甚至還有點浪費，選擇繞圈是為了讓發動機工作在最省燃料的狀態。當然也有軌道測定和調整的需求。
回答者中大部分都是針對你第一個問題，得票最多的pollydiary其實是針對的第二個問題而且說對了但是他自己貌似沒發現？
第二個問題你要轉化一下看。F*T=M*V，要物體獲得更大的速度，要麼給更大的力，要麼力量持續更長時間。正常來說，1牛的力推100秒，和10牛的力推10秒，產生的衝量是一樣的，消耗的燃料也是一樣的（不考慮自身燃料質量的情況下）。但是火箭發動機的特性不是這樣的，同樣的燃料，1牛的力可以推100秒，但是10牛的力只能推8秒，0.1牛的力可以推10000秒，最後產生的衝量差了10倍（大致意思吧）。
這個參數在火箭發動機上叫比沖，你可以理解為利用燃料的效率。同樣的技術條件下，火箭推力越大，比沖越難做高。
火箭在發射初期，需要克服空氣阻力，而且要儘快達到第一宇宙速度否則就栽下去了，所以它的工作時間是被限制死了的，這個時候就要選擇推力盡量大的發動機，比沖可以犧牲。而到了地球軌道上，能穩定繞圈了，這個時候就可以選擇比沖盡量大的發動機，用時間換速度，推力可以犧牲。因此最省燃料的做法就是儘可能多的繞圈，慢慢積累速度，這就是pollydiary說的自行車先繞圈然後改變方向的思路。同一個飛船，宇宙航行時的發動機比沖有3000秒，推力零點零幾牛頓，而從地面起飛時用的發動機比沖才300秒，推力幾千牛頓。這種差別決定了它肯定要浪費時間來換取速度。
這是阿里安5進入GTO時的速度圖，明顯可以看出各級火箭的推力是不同的。
火箭發射過程分幾個階段：海平面空氣阻力大，所以要垂直向上儘快脫離大氣，到了一定高度後，火箭拋棄下面級發動機，轉而往平行於地面的方向飛，這時火箭速度還不夠快，但已經處於一個拋物線中了，即使沒有動力，落到地上需要很長時間，有了充足的時間慢慢加速。這樣節約燃料但是推力小的上面級發動機就可以發揮威力了。進入地球衛星軌道後，火箭即使沒有動力也不會掉下來，而且加速是積累的，這時就可以慢慢加速，每繞一圈，軌道直徑（長邊）都在加大，直到軌道軌道直徑超過地月距離，這樣就上月球啦。
嫦娥採取的就是這樣的軌道：它在進入地月軌道之前，需要變軌3次，每圈都在近地點時開始加速，速度分幾次提高，每圈直徑都比上一次大，最後進入地月轉移軌道。
而美國人的火箭發動機比較強，不需要多次變軌，可以一次加速就進入地月轉移軌道。採取一次性加速不是因為美國人浪費，而是因為有宇航員在，不可能花好幾天慢慢加速。
對比看一下，這是阿波羅11號的運行軌跡，進入地球衛星軌道後先繞圈做準備工作，然後一次性加速，進入地月轉移軌道，飛向月球。
而這是嫦娥1號的軌道，進入地球衛星軌道後先繞圈做準備工作，然後分幾次加速，進入地月轉移軌道，飛向月球。到月球後減速也是分好幾次的。
話說回來這些事當初嫦娥直播時都有說吧？看來關注中國航天的人還是少啊。
簡言之，省力。
請看下圖：
想像你站在高處，向遠處拋擲物體，由於地心引力的存在，物體總是落回地球上。但是，你拋擲的初速度越大，物體飛得就越遠。如果你給物體的初速度足夠大，物體就會繞地球做圓周運動，不在調回地球上。忽略阻力作用的話，即使不為物體繼續加速，物體也不會掉下來。
想像你站在高處，向遠處拋擲物體，由於地心引力的存在，物體總是落回地球上。但是，你拋擲的初速度越大，物體飛得就越遠。如果你給物體的初速度足夠大，物體就會繞地球做圓周運動，不在調回地球上。忽略阻力作用的話，即使不為物體繼續加速，物體也不會掉下來。
這就是人造衛星的基本原理。
相信題主是學過的。那麼繼續看。
我們知道，當火箭以某一速度作圓周運動，成為地球衛星時，是不需要開動發動機持續為火箭加速的。因此，黑色細線表示的是，當火箭在近地點以相應速度關閉發動機後的飛行軌跡。
我們知道，當火箭以某一速度作圓周運動，成為地球衛星時，是不需要開動發動機持續為火箭加速的。因此，黑色細線表示的是，當火箭在近地點以相應速度關閉發動機後的飛行軌跡。
當火箭在近地點不斷加速從v1-&>v2-&>v3，其飛行軌跡的遠地點就越來越遠。當其軌跡與月球月球引力範圍重疊，即可關閉發動機，火箭會沿著v3軌跡飛行，進而被月球引力捕獲，然後使火箭減速即可降落在月球上。
先圍地球轉，再進入轉移軌道，最後再進入近月軌道。如果直接近的話要求速度很大，能量很高，貌似現在還達不
總師公開說的原因是:
直接進入轉移軌道發射窗口期太短，對發射場的氣象，火箭的維護準備工作要求太高。所以嫦娥一號選擇在地球軌道轉數圈。這樣發射時一旦滿足不了條件就下一個窗口再發射，衛星就在軌道上少轉一圈。
嫦娥二號是直接進入轉移軌道，背後肯定付出了相當的努力。推薦閱讀：