Только в середине 1964 г. (работы по программе «Сатурн-Аполлон» были уже развернуты широким фронтом) было решено, что высадка экспедиции на поверхность Луны становится важнейшей задачей.
Проработки различных вариантов таких экспедиций уже велись в ОКБ Королева. Первоначально он отдавал предпочтение многопусковым комплексам, собираемым из частей на околоземной орбите. Такая схема лунной экспедиций в какой-то степени перекликалась с работами по программе «Союз», которая уже разрабатывалась в ОКБ. Эта программа предусматривала стыковку двух пилотируемых космических кораблей на околоземной орбите и переход космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос. США же, как было сказано, остановились на однопусковой схеме.
Американская программа подтолкнула высшее руководство нашей страны выдать задание на разработку проектов ракет-носителей, обеспечивающих лунную экспедицию одним запуском. Такие задания наряду с фирмой Королева получили и ОКБ, руководимые М.К.Янгелем и В.Н.Челомеем. Их проекты (ракеты-носители Р56 и УР700 соответственно) ориентировались на двигатели Глушко.
В конце 1964 г в ОКБ Королева был разработан предэскизный проект лунного ракетного комплекса Н1-Л3. Он предусматривал высадку на Луну одного космонавта, в то время как на окололунной орбите в лунном орбитальном корабле находился другой, и возвращение их в спускаемом аппарате, входящем в состав лунного орбитального корабля, на Землю. Экспедиция обеспечивалась одним пуском ракеты-носителя Н1. Для этого намечалось увеличить массу полезной нагрузки с 75 до 92 т, а затем до 95 т (и больше). Были предприняты поиски решений, обеспечивающих выведение такой полезной нагрузки без коренной переработки выпущенной технической документации, конструкции ракетных блоков и специализированного технологического оборудования. Предполагалось:
— увеличить стартовую массу с 2200 до 2700 т;
— установить шесть дополнительных ЖРД в центральной части ракетного блока первой ступени (в блоке «А»);
— форсировать ЖРД двигательных установок ракетных блоков первых трех ступеней {блоки «А», «Б», «В») в среднем на 2% путем введения «гибкой» программы регулирования тяги двигателей;
—перейти в дальнейшем на ракетных блоках верхних ступеней на ЖРД, имеющие более высокие удельные тяги за счет использования жидких кислорода и водорода в качестве топлива.
Ракета-носитель Н1 (рис. 7) имела оригинальную компоновочную и конструктивно-силовую схемы.
Во-первых, топливные отсеки ракетных блоков «А», «Б» и «В» содержали подвесные шаровые баки, конструкция которых воспринимала только нагрузки от давления наддува этих баков и гидростатического давления столба жидкости в них, а инерционные нагрузки и тяга двигателей воспринимались несущей конструкцией топливного отсека. Впервые в нашей стране (а может быть, и в мире) в насосах турбонасосного агрегата ЖРД были применены преднасосы. Проработки показали, что при таких компоновочной и конструктивно-силовой схемах топливных отсеков можно сделать массу этих отсеков меньше, чем при несущей конструкции топливных баков, как у «Сатурна-V».
Элементы конструкции баков и отсеков транспортировались с заводов-изготовителей на космодром средствами обычного железнодорожного транспорта. Собранные на заводах-изготовителях ракетные блоки американцы доставляли на космодром на специальных баржах по специально построенному каналу, что, естественно, требовало больших дополнительных расходов.
Во-вторых, ракетные блоки «Л», «Б» и «В» были многодвигательными. Так, ракетный блок «А» состоял из двадцати четырех периферийных и шести центральных ЖРД с номинальной тягой у земли 154 т-с. На ракетном блоке «Б» было установлено 8 ЖРД с высотными соплами с номинальной тягой в пустоте 179 т-с, а на блоке «В» — 4 двигателя с номинальной тягой в пустоте 41 т-с, имевших такую же принципиальную пневмосхему, как у двигателей блока «А».
Размеры одиночного ЖРД блока «А» выбирались из условия минимальных затрат на их разработку и изготовление. Для повышения надежности было предусмотрено резервирование одиночных ЖРД. Так, первая ступень могла совершать полет при двух парах противоположно выключенных периферийных двигателей, вторая ступень — при одной паре, третья ступень — при одном выключенном двигателе.
Для выключения неисправных и противоположно расположенных двигателей предусматривалась специальная система контроля за их работой (КОРД). К сожалению, эта система не успевала реагировать на быстропротекающие процессы (например, те, которые предшествуют взрыву кислородных насосов турбонасосного агрегата). Но такие дефекты должны были устраняться при доводочных испытаниях одиночных ЖРД и контролироваться при сдаточных испытаниях этих двигателей.
В-третьих, управление первой и второй ступенями ракеты-носителя относительно поперечных осей (по каналам тангажа и рыскания) осуществлялось рассогласованием тяг противоположных периферийных жестко-закрепленных двигателей, а управление относительно продольной оси (канал вращения) — расположенными по периферии ракетных блоков качающимися соплами, через которые истекал газ, отбираемый после турбин турбонасосного агрегата одиночных периферийных двигателей. Управление третьей ступенью осуществлялось качанием в карданном подвесе ее одиночных двигателей. Все одиночные ЖРД имели системы подачи компонентов топлива в камеру сгорания при помощи турбонасосного агрегата с дожиганием рабочего тела после турбины, работали на жидком кислороде и керосине и обладали высокими по тому времени энергомассовыми характеристиками.
В отличие от комплекса «Сатурн-V-Аполлон» комплекс Н1-Л3 собирался и испытывался в монтажно-испытательном корпусе (на специальном установщике) в горизонтальном положении. Сборка лунного ракетного комплекса головного блока — производилась в другом корпусе, так называемом монтажно-испытательном корпусе космических объектов.
Лунный ракетный комплекс (ЛРК) состоял из ракетных блоков «Г», «Д», лунного орбитального корабля (ЛОК) с его ракетным блоком, лунного корабля (ЛК) системы аварийного спасения и головного обтекателя.
Ракетный блок «Г» с кислородно-керосиновым ЖРД сообщал ЛРК скорость, близкую ко второй космической (~11,2 км/с), а ракетный блок «Д» обеспечивал коррекцию траектории движения к Луне, торможение лунного орбитального корабля и лунного корабля, перевод их па окололунную орбиту и основное торможение при посадке лунного корабля па Луну. Разгон орбитального блока с окололунной орбиты назад к Земле, коррекцию траектории его движения к ней обеспечивал блок «И». Лунный корабль был рассчитан на одного космонавта. Ракетный блок «Е» имел ЖРД, работающий на тетраксиде азота и несимметричном диметилгидразине. Этот двигатель обеспечивал торможение на конечном участке траектории спуска (с высоты ~1 км), маневрирование Лунного корабля при посадке на поверхность Луны, а также последующий его взлет с поверхности Луны и встречу с орбитальным кораблем на окололунной орбите. Последний при этом играл роль активного корабля при стыковке. Следует отметить, что оба корабля имели как основной так и дублирующий двигатель.
Система аварийного спасения обеспечивала спасение космонавтов при аварийных ситуациях во время старта и на активном участке траектории при выведении лунного ракетного комплекса на околоземную орбиту. Головной обтекатель защищал от нагрузок, действующих на активном участке траектории, и сбрасывался при работе второй ступени.
Собранный комплекс Н1-Л3 транспортировался из монтажно-испытательного корпуса двумя спаренными тепловозами по двум железнодорожным линиям к стартовому сооружению, где он устанавливался в вертикальное положение.
Если сравнивать схему лунной экспедиции по программе «Сатурн-V-Аполлон» с нашей схемой, то надо признать, что у американцев она имела лучшие характеристики. По их схеме на орбиту Луны доставлялись три астронавта, а у нас — два; на поверхность Луны высаживались у них двое, у нас — один. Из-за применения жидкого водорода на второй и третьей ступенях «Сатурна» и более благоприятного (с точки зрения использования вращения Земли при запусках в восточном направлений) расположения космодрома США на мысе Канаверал по сравнению с расположением космодрома в Байконуре РН «Сатурн-V» выводила на околоземную орбиту полезную нагрузку, на 10% большую при практически одинаковой стартовой массе. В-третьих, комплекс «Сатурн-Аполлон» имел на один ракетный блок меньше, чем наш комплекс Н1-Л3, следовательно, был проще и в принципе обладал более высоким уровнем надежности. И, наконец, американцы ввели методику повышения надежности работы двигательных установок ракетных блоков, предусматривавшую переведение их предполетных огневых стендовых испытаний и поставку на окончательную сборку без переборки. Внедрение этой методики потребовало больших средств на строительство специальных огневых стендов. И эти средства были выделены.
