После завершения программы почти трёхдневного пребывания на Луне командир «Аполлона-15» Дэвид Скотт и пилот лунного модуля Джеймс Ирвин осуществили взлёт и через 1 час 59 минут пристыковали взлётную ступень лунного корабля к командно-служебному модулю «Индевор», в котором во время их отсутствия оставался и работал на орбите пилот КСМ Альфред Уорден. Более суток астронавты продолжали находиться на окололунной орбите, проводя эксперименты и измерения с помощью аппаратуры, размещённой в модуле научных приборов, и фотографируя поверхность Луны. Они запустили небольшой искусственный спутник Луны с научной аппаратурой. На 74-м витке вокруг Луны был включён маршевый двигатель, корабль взял курс к Земле. Обратный полёт продолжался почти трое суток. В ходе него Альфред Уорден совершил первый в истории выход в открытый космос в межпланетном пространстве, чтобы достать из модуля научные приборы и вернуть на Землю кассеты с отснятой фотоплёнкой. 7 августа 1971 года командный модуль «Аполлона-15» благополучно приводнился в Тихом океане, несмотря на то, что при посадке не раскрылся один из трёх основных посадочных парашютов. Скотт, Уорден и Ирвин стали первыми астронавтами, которые после пребывания на Луне не были подвержены послеполётному карантину.
Взлёт с Луны и стыковка
После завершения третьего и последнего выхода на лунную поверхность астронавты Дэвид Скотт и Джеймс Ирвин впервые за три дня пребывания на Луне не сняли скафандры, они сняли только перчатки, шлемы и ранцы портативной системы жизнеобеспечения, подключив к скафандрам кислородные и водяные шланги лунного модуля. Они взвесили контейнеры с собранными образцами лунного грунта и доложили о результатах на Землю. Затем Скотт и Ирвин снова надели шлемы и перчатки и ещё раз разгерметизировали кабину «Фалкона», чтобы выбросить на поверхность ранцы и мунбутсы, которые им больше не потребуются, а также мешок с мусором. После этого они убрали контейнеры с образцами и начали подготовку к взлёту. Хьюстон сообщил им, что взлётная ступень «Фалкона» весит на 104,33 кг больше, чем ожидалось. Земля также проинформировала астронавтов, что «Индевор», несмотря на манёвр, осуществлённый ранее в этот день, неожиданно оказался не на круговой, а на слегка эллиптической орбите 118,5 км на 100 км, что потребует дополнительного манёвра. Но, несмотря на это, запасы топлива выглядели вполне достаточными. За полчаса до взлёта состоялся короткий радиообмен между «Фалконом» и «Индевором», который в очередной раз пролетал над местом посадки. Скотт сообщил Уордену, что они с Ирвином находятся в полной готовности, и попросил к встрече приготовить чего-нибудь горячего (в лунном модуле, в отличие от командного, не было горячей воды), потому что холодный томатный суп оказался не очень вкусным.
За 23 минуты до взлёта в Хьюстоне было сделано объявление для прессы о том, что телекамера «Лунного Ровера» из-за возникших проблем не будет отслеживать подъём «Фалкона», а покажет только статичный план. В момент, когда после старта с Земли прошёл 171 час 37 минут 16 секунд, Дэвид Скотт нажал кнопку разделения ступеней и запустил двигатель, после чего подтвердил бортовому компьютеру, что можно продолжать программу. Через 9 секунд взлётная ступень «Фалкона» оторвалась от посадочной и начала быстро подниматься. И сразу радиоэфир взорвала музыка песни ВВС США «Поехали! В голубую высь!» (). Скотт позднее рассказывал, что все члены экипажа планировали это заранее, только Уорден должен был запустить плёнку не сразу, а примерно через минуту, когда начальная и наиболее критичная фаза подъёма будет уже позади. Несколько секунд в Хьюстоне никто не мог понять, что происходит. По словам Скотта, после полёта ему все печёнки проели из-за этого инцидента, но в глазах у всех, кто его отчитывал, он видел улыбку. Как вспоминал Уорден в 1999 году, он думал, что заводит песню только для Хьюстона, и не знал, что кто-то на Земле переключил связь в режим, когда все слышали всех.
Те, кто наблюдал за стартом с Луны по телевидению, увидели, что через считанные мгновения «Фалкон» скрылся из виду. В кадре осталась только посадочная ступень на своих четырёх опорах. Никаких столбов пламени, как при старте ракеты с Земли, не было. В безвоздушном пространстве Луны раскалённые газы, вырывавшиеся из сопла двигателя, были невидимыми. Только с поверхности поднялось облако пыли, и в разные стороны полетели мелкие предметы, остававшиеся около лунного модуля. Когда «Фалкон» поднялся всего на 15 метров, был совершён манёвр переворота. Взлётная ступень лунного модуля повернулась на 54° к вертикали. В отличие от Земли, в безвоздушном пространстве Луны можно было увеличивать горизонтальную скорость корабля практически сразу после старта. Ирвин в этот момент восхитился видами каньона Хэдли Рилл и сказал, что видит следы от валунов, скатившихся на дно по его стенам. В 1999 году Скотт вспоминал: «Мы летели иллюминаторами вниз прямо над каньоном и вдоль него. Виды были потрясающие и незабываемые. Лучшего прощания с Луной трудно было придумать». По словам Скотта, никакого шума во время старта и взлёта в кабине не было, кроме свистящих звуков «Ш-ш-ш-ш-ш-ш…», как будто ветер дует в окно. Перегрузок практически тоже не было, от 1/6 G они увеличились примерно до 1/2 G. Скотту и Ирвину впервые предстояло осуществить сближение и стыковку кораблей на окололунной орбите по схеме «прямой встречи» (). Она требовала меньшего количества включений двигателя взлётной ступени, но большей точности наведения и навигации. Весь процесс можно было осуществить в течение одного витка, то есть чуть меньше, чем за два часа.
Через 8 минут после взлёта «Фалкон» вышел на эллиптическую орбиту с апоселением 77,8 км и периселением 16,7 км. Хьюстон информировал астронавтов, что никакой коррекции на этом этапе не требуется. Как только в кабине наступило состояние невесомости, она вся заполнилась плавающей лунной пылью и мелкими частицами грунта. Но Скотт и Ирвин были в скафандрах, с закрытыми гермошлемами. Через минуту после выхода на окололунную орбиту Уорден сообщил, что радар «Индевора» засёк лунный модуль на расстоянии 235 км. Ещё через 11 минут расстояние между кораблями сократилось до 174 км, скорость сближения составила 108 м/с. С расстояния 130 км Уорден в секстант разглядел вспыхивавший в темноте сигнальный фонарь «Фалкона». Когда оба корабля находились над обратной стороной Луны, на 3 секунды был включён двигатель взлётной ступени «Фалкона» для совершения манёвра начала завершающей фазы сближения.
После этого были сделаны две небольшие коррекции курса. Примерно через 47 минут оба корабля, один за другим, вышли из-за лунного диска, расстояние между ними уже было 4,6 км, а скорость сближения 8,8 м/с. На завершающей стадии сближения Скотт тремя манёврами торможения погасил скорость «Фалкона» относительно «Индевора» с 7,6 м/с до 1,5 м/с. В это время Ирвин и Уорден интенсивно снимали сближающиеся корабли на фото- и киноплёнку, а Уорден ещё и показывал процесс стыковки в прямом эфире по телевидению. На расстоянии 37 метров корабли зависли неподвижно относительно друг друга. Уорден совершил манёвр медленного переворота «Индевора», чтобы Скотт и Ирвин смогли осмотреть и сфотографировать отсек научных приборов и, по возможности, определить причины неполадок с сенсором панорамной камеры. Ничего необычного Скотт и Ирвин не увидели.
Стыковка состоялась через 1 час 59 минут после взлёта «Фалкона» с Луны, скорость сближения в момент стыковки составила 0,03 м/с. Уорден приветствовал Скотта и Ирвина гостеприимным «Добро пожаловать домой!». Он включил вентиляторы вытяжки в командном модуле, чтобы они притягивали частицы лунной пыли, и начал выравнивать давление между двумя кораблями. После открытия люков Скотт и Ирвин почистили свои скафандры пылесосом, который им передал Уорден. Во время очередного пролёта над обратной стороной Луны Скотт и Ирвин перенесли в командный модуль контейнеры с образцами грунта, камерами, кассетами с плёнкой и секциями глубокой пробы грунта. Три неразделённые секции пробы Уорден, по совету Хьюстона, привязал в нижнем отсеке командного модуля, под креслами астронавтов. Всё ненужное, включая стыковочное оборудование, было перенесено в «Фалкон», однако контейнеры с мочой и фекалиями Скотта и Ирвина надлежало доставить на Землю для последующего анализа.
Астронавты старались не допустить загрязнения «Индевора», но лунная пыль в него всё-таки проникла. Уорден начал чистить кабину командного модуля пылесосом, а Скотт и Ирвин принялись за подготовку «Фалкона» к сбросу на лунную поверхность. Когда всё было готово, они перешли в командный модуль, последним перешёл Ирвин, закрыв оба переходных люка. Сброс лунного модуля, в отличие от расстыковки, должен был происходить путём разрыва стыковочного кольца между двумя кораблями с помощью пирошнура, последующего отведения «Индевора» на безопасное расстояние и включения двигателя лунного модуля для его перевода на траекторию столкновения с Луной. Перед сбросом «Фалкона» необходимо было проверить герметичность скафандров и командного модуля. Полётный план «Аполлона-15» был изменён таким образом, что астронавты в процессе сброса лунного модуля должны были быть одеты в скафандры. Всего за месяц до этого, 30 июня 1971 года в результате разгерметизации спускаемого аппарата советского космического корабля «Союз-11» во время посадки погиб его экипаж: Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев. Меры предосторожности, принятые американцами, оказались не излишними. Во время проверки герметичности скафандров у Скотта обнаружилась небольшая утечка. Всем пришлось снимать шлемы и перчатки, а командиру — ещё и расстёгивать скафандр, отсоединять коннектор для подачи воды для охлаждения и вставлять заглушку. Наиболее вероятной причиной этих сложностей было загрязнение (лунной пылью).
Вторая проверка герметичности скафандров прошла нормально. После частичного сброса давления в переходном тоннеле между модулями Дэвид Скотт доложил на Землю, что оно снова увеличилось. Это означало, что в переходной тоннель просачивался кислород из одного из кораблей. Телеметрия на Земле не показывала никаких утечек из кислородных баков «Фалкона». В Хьюстоне предположили, что, возможно, из-за загрязнения уплотнителей недостаточно плотно закрыт переходной люк «Индевора». Тем не менее, решено было открыть и проверить оба люка. Сброс «Фалкона» был отложен. Примерно через 14 минут Скотт доложил, что уплотнители чистые и что оба люка снова закрыты. Но астронавтам пришлось заново проверять скафандры. Третья попытка оказалась неудачной, у одного из них была неправильно надета перчатка. Только четвёртая проверка скафандров дала положительные результаты.
Новую проверку герметичности переходного тоннеля Хьюстон для надёжности решил значительно растянуть во времени, отведя на неё вместо обычных 10 минут всё время нахождения кораблей вне видимости, над обратной стороной Луны. Скотт, со своей стороны, попросил разрешения снять перчатки и шлемы, а позже проверить скафандры ещё раз, ведь подходило время ужина. Он и Ирвин уже были одеты в скафандры более 18 часов, изрядно устали после последней лунной прогулки, взлёта и стыковки и не принимали пищу уже 8 часов. Хьюстон дал на это своё согласие.