С.П.Королев и его соратники понимали, что для дальнейшего совершенствования космических операций при помощи пилотируемых космических кораблей требуется увеличить полезную нагрузку, выводимую на околоземные орбиты. Это можно сделать при помощи либо сверхтяжелых, либо средних ракет-носителей. В последнем случае требовалась стыковка на орбитах. В конце 1961 г. КБ С.П.Королева получило задание на разработку ракеты-носителя Н1, выводящей на околоземную орбиту полезную нагрузку 40-50 т (срок создания — 1962-1965 гг.) и ракеты НII с полезной нагрузкой 60-80 т (срок создания — 1963-1970 гг.). Затем сроки создания этих ракет-носителей неоднократно (по разным причинам) переносились. В том же 1961 г. фирме В.Н.Челомея были поручены работы по ракетно-космическому комплексу, предназначенному для облета Луны. Задача высадки экспедиции на ее поверхность не ставилась в этот момент вообще. С. П. Королев, таким образом, оказался как бы отстраненным от лунной программы. В 1962 г план был пересмотрен еще раз. Цель сосредоточить силы и ресурсы на создание комплекса для пилотируемого облета Луны на базе ракеты-носителя УР500, разрабатываемой ОКБ Челомея. Работы по ракете-носителю Н1 были ограничены разработкой лишь эскизного проекта.
В июле 1962 г. экспертная комиссия под руководством М.В.Келдыша рассмотрела этот проект, разработанный в столь неопределенной обстановке, и дала заключение о необходимости (и возможности) создания РН с массой полезной нагрузки 75 т и стартовой массой всего комплекса 2200 т. Начать летно-конструкторские испытания предполагалось в 1965 г. при условии, что к этому времени будет построена и введена в эксплуатацию стартовая позиция.
Этим же постановлением Академия наук должна была определить целевые задачи и дать предложение о создании космических объектов, выводимых в космос этой ракетой-носителем. Именно в этот период при разработке эскизного проекта произошел разлад между С.П.Королевым и В.П.Глушко. Королев и его соратники отстаивали необходимость применения в ракетных двигателях высокоэнергетичных и нетоксичных компонентов ракетных топлив (жидкий кислород, жидкий водород и углеводородное горючее). В.П.Глушко настаивал на таких высококипящих и токсичных компонентах, как тетраксид азота и несимметричный диметилгидразин, а из криогенных компонентов — жидкий водород и жидкий фтор. От разработки кислородно-керосиновых и кислородно-водородных ЖРД для ракеты-носителя Н1 В.П.Глушко отказался. Сергей Павлович вынужден был обратиться к Генеральному конструктору авиационных двигателей Н.Д.Кузнецову, который взялся за разработку таких ЖРД, хотя это и не соответствовало его прежней деятельности. Н.Д.Кузнецову пришлось создавать в своем ОКБ и на заводе, где изготавливались эти двигатели, стендовую базу и осваивать новые технологии. Нужно отдать должное руководителям Куйбышевского региона, на заводах которого изготавливались ракета-носитель Н1 и двигатели для ее ракетных блоков (секретари обкома КПСС В.Орлов и В.Воротников, председатель совнархоза В.Литвинов). Они сделали все, что было в их силах, для успешного выполнения этих работ.
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.
Все это С.П.Королев и его соратники понимали. Но в сложившейся ситуации они были ограничены и временем, и выделенными финансами, и производственными мощностями, так что этот метод не был принят. Основным фактором принятия решений было стремление опередить США в высадке экспедиции на Луну с минимальными затратами.
К сожалению, как это следует из сказанного ранее, у нас в стране в отличие от США разрабатывались две независимые друг от друга программы, одна из которых была связана с пилотируемым облетом Луны, а вторая — с высадкой экспедиции на ее поверхность. По второй программе, как тоже было сказано выше, разрабатывались три проекта ракеты-носителя (Н1, Р56, УР700). В США же все усилия были направлены на выполнение единой программы «Сатурн-Аполлон», получившей общенациональную поддержку. Облет Луны астронавтами с возвращением их на Землю предусматривался лишь как этап высадки экспедиции на Луну.
С.П.Королев делал неоднократные попытки объединить обе наши программы или хотя бы максимально использовать разработки одной программы для другой. Первая попытка была сделана в 1961 г., когда он предложил использовать Н1 (первый вариант, но с массой полезной нагрузки 75 т) для облета Луны двумя космонавтами и посадки их в спускаемом аппарате на Землю со второй космической скоростью.
Вторую попытку он предпринял в 1964 г., когда для той же цели предложил использовать ракету, состоящую из верхних ракетных блоков «Б», «В», «Г», и лунный корабль из комплекса Н1-Л3. Но все эти попытки не увенчались успехом.
Во второй половине 1965 г. стало ясно, что коллектив ОКБ, возглавляемый В.Н.Челомеем, не сумеет обеспечить приоритет нашей страны в осуществлении пилотируемого облета Луны в связи с отставанием работ по созданию лунного облетного комплекса. Сергей Павлович предложил использовать для этой цели ракетный блок «Д» и лунный орбитальный корабль от комплекса Н1-Л3. После долгих и жарких споров на заседаниях у председателя военно-промышленной комиссии Совета Министров СССР Л. В. Смирнова и у министра общего машиностроения С.А.Афанасьева, доходящих до взаимных обвинений, это предложение все-таки было принято.
Так, в конце 1965 г родилась программа УР 500К-Л1, предусматривавшая облет Луны двумя космонавтами с возвращением их на Землю в спускаемом аппарате со второй космической скоростью. Старт с Земли должен был производиться ракетой-носителем УР500К («Протон») с ракетным блоком «Д». Пилотируемый космический корабль (он получил «название» 7К-Л1), как уже сказано, создавался на базе лунного орбитального корабля из программы Н1-Л3 (рис. 9, 10) Ответственным за реализацию программы УР500К-Л1 стал С.П.Королев.
Рис. 9. Схема облета Луны по программе УР500К-Л1.
Необходимо отметить его большую роль в создании наземных служб, значение которых при управлении пилотируемыми кораблями в космосе чрезвычайно велико. Такие службы начали создаваться уже при запусках автоматических космических аппаратов. С.П.Королев увидел перспективы применения ЭВМ в системе управления движением космических аппаратов. Его ОКБ одним из первых стало применять ЭВМ сначала для проведения баллистических, прочностных, аэродинамических и других расчетов, а затем и в системах управления движением космического аппарата в реальном масштабе времени.
Рис. 10. Схема корабля 7К-Л1
В короткие сроки была создана сеть командно-измерительных пунктов, принимающих телеметрическую и траекторную информацию и передающих ее по надежным помехозащищенным каналам связи в координационно-вычислительный центр, который обрабатывает ее и в виде, приемлемом для принятия решений, передает в Центр управления полетом (ЦУП). На основе этих рекомендаций ЦУП принимает решения и выдает команды на борт аппаратов или кораблей. С пилотируемыми космическими аппаратами ЦУП имеет двустороннюю связь.
Из сказанного следует, что уже в начале 60-х годов С.П.Королеву пришлось иметь дело со сложными техническими системами, в создании и эксплуатации которых принимали участие многочисленные коллективы специалистов различной профессиональной ориентации.