NOTOC Une trajectoire de retour libre est la trajectoire d'un véhicule spatial partant d'un corps céleste (par exemple, la Terre) dans laquelle la gravité d'un second corps (par exemple, la Lune) permet au véhicule de revenir au corps céleste initial sans propulsion (d'où le terme « libre »). Ce type de trajectoire a été utilisé par les missions lunaires du programme Apollo pour garantir le retour du vaisseau spatial en cas de défaillance de sa propulsion principale durant son transit vers la Lune. Il a permis de ramener l'équipage d'Apollo 13 dont le vaisseau spatial avait été fortement endommagé et ne permettait pas d'utiliser ses moteurs sans risque. Dans le cas d'une mission Terre-Lune, on distingue deux catégories de trajectoire de retour libre : une trajectoire circumlunaire, autour de la Lune. Le périsélène est derrière la Lune ; le véhicule spatial y arrive dans la direction opposée à celle de la Lune elle-même (le trajet a une forme en 8) ; une trajectoire cis-lunaire, dans laquelle le véhicule spatial dépasse l'orbite de la Lune autour de la Terre, retourne à l'intérieur de celle-ci, passe devant la Lune, se faisant dévier par l'attraction lunaire, ressort de l'orbite de la Lune autour de la Terre, et enfin revient vers la Terre grâce à l'attraction terrestre. Le périsélène est devant la Lune. Le temps de vol pour une trajectoire cis-lunaire est plus long que pour une trajectoire circumlunaire, surtout pour une trajectoire avec un faible rayon périsélène (survol de la Lune à faible altitude) : le temps de vol décroît avec le rayon périsélène dans le cas d'une trajectoire cis-lunaire, et augmente avec le rayon périsélène dans le cas d'une trajectoire circumlunaire. Dans le modèle simplifié où l'on considère l'orbite de la Lune autour de la Terre circulaire, les cas spéciaux de trajectoires de retour libre dans le plan de l'orbite lunaire sont périodiques : après avoir passé la Terre, le véhicule spatial retournerait à la Lune, etc. Dans le cas d'une trajectoire de retour libre parfaite, aucune propulsion n'est nécessaire.