каким образом на небе помещаются и неполная Луна и Солнце одновременно?

Очень просто.

Полной луна бывает только тогда, когда находится на расстоянии 180 градусов от солнца.

В любой другой фазе этот угол меньше и поэтому укладывается полностью в полусферу.

P.S. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фазы_Луны