Применение двигателей, работающих на кислородно-водородном топливе с высокими энергетическими характеристиками, определило схему выведения и траекторию полета экспедиции на Луну. Оптимальной для таких компонентов топлива является схема носителя, использующая для довыведения груза на ОИСЗ часть топлива разгонного блока. Это и было реализовано в программе «Сатурн-5». На третью ступень (разгонный блок) они дополнительно возложили задачу разгона комплекса к Луне. После перестроения комплекса, а именно отделения корабля «Аполлон», разворота его на 180° и перестыковки с Лунным модулем, происходило отделение третьей ступени. Дальнейшие динамические функции, такие как коррекции на орбите, торможение у Луны, отлет обратно к Земле, выполнял сам корабль «Аполлон». По достижении орбиты Луны и перехода экипажа в Лунный модуль, последний самостоятельно осуществлял посадку на поверхность Луны, взлет и стыковку с кораблем «Аполлон». Выполнив свои функции, Лунный модуль отделялся, а корабль «Аполлон» обеспечивал возвращение на Землю спускаемого аппарата с экипажем и «подарками» Луны. Вся схема экспедиции приведена на рисунке 1.
Про «Сатурн-5-Аполлон» много написано. Эта космическая система, безусловно, укрепила национальный престиж США в космосе.
Носитель Н-1 использовал традиционные для ракет ОКБ-1 компоненты: жидкий кислород и керосин. Это требовало трехступенчатой схемы выведения.
Рис. 2. Ракета-носитель Н1 на пусковом устройстве
Рис. 3. Головной блок Л3 ракеты-носителя Н1
Носитель (рис. 2) содержал в себе блоки А, Б и В, а для разгона к Луне использовался специальный ракетный блок Г (рис. 3), который после выдачи разгонного импульса отделялся от комплекса. Ракетный блок Д обеспечивал дальнейший полет к Луне и выход на орбиту искусственного спутника Луны (ОИСЛ). На орбите Луны один из двух членов экипажа переходил через открытый космос из лунного орбитального корабля (ЛОК) в Лунный корабль. После этого Лунный корабль с пристыкованным к нему все тем же ракетным блоком Д отделялся и начинал свое движение к поверхности Луны. Основной тормозной импульс для достижения поверхности отрабатывался блоком Д, после чего блок отделялся и уводился. На высоте около 3 км от точки посадки по команде посадочного радиолокатора ЛК включался ракетный блок Е самого корабля. Обеспечивалось гашение остатков скорости, и после этого начинался посадочный маневр Лунного корабля уже по команде космонавта. Маневр осуществлялся на работающем в режиме глубокого дросселирования (уменьшения) тяги блока Е. По сути дела ракетный блок обеспечивал зависание ЛК над поверхностью и движение его в наиболее благоприятный район при прилунении. Схема с использованием специального блока торможения при посадке более экономична, чем схема с преобразованием этого блока в посадочную ступень, как это было сделано на американском Лунном корабле LEM. Однако ее реализация принесла в дальнейшем много дополнительных проблем, о чем на первом этапе мы и не догадывались. Ракетный двигатель ЛК на заключительном участке посадки, как было сказано, должен был включаться по команде от посадочного радиолокатора «Планета». Радиолокатор имел четыре антенны, лучи которых образовывали в пространстве ассиметричную пирамиду. Три боковых луча допплеровской части системы определяли вектора скорости, а центральный луч давал информацию о расстоянии до поверхности. Схема простая и надежная (в дальнейшем без всяких доработок этот радиолокатор был установлен на беспилотных объектах, доставивших на Луну советские автоматические станции для забора бесценных крупинок лунного грунта), но не обладавшая необходимой защищенностью от мешающих сигналов, отраженных от падающей на небольшом расстоянии первой отработанной ступени.
В авиации и ПВО специалистам хорошо известен термин «эффективная площадь обратного отражения луча» — параметр, характеризующий какой процент энергии облучающего сигнала отражается поверхностью летательного аппарата и возвращается к источнику излучения. На этот параметр существенно влияет конфигурация облучаемого объекта. Для уменьшения отраженного сигнала необходимо применять специальные меры, включающие специальные покрытия поверхности, плавные обводы, исключающие эффект «уголкового» отражателя и т. д. В общем, все то, что связано сегодня с понятием «технологии «Стеллс»».
Мы тогда с этими проблемами столкнулись впервые. Проектанты на первых порах, не особенно задумываясь и опираясь на справочные данные по авиационным летательным аппаратам того времени, заложили этот показатель равным 10 м2. Это типичная «эффективная площадь обратного отражения луча» для небольшого самолета типа «МИГ-17». Габариты первой ступени нашего лунного посадочного комплекса были сопоставимы с самолетом такого класса, и этого на стадии проектирования показалось достаточно. Когда же дело дошло до экспериментальной проверки, оказалось, что фактическое значение этого параметра в нашем случае может достигать 10—100 тыс. м2. Об этом можно было догадаться и раньше, так как сопло двигателя является почти идеальным уголковым отражателем, и, если луч радиолокатора попадает на него, то почти весь сигнал без потерь будет отражен назад. Но сказалась разобщенность специалистов разного профиля. Проблема всплыла, что называется, под занавес, когда конструктивно все элементы комплекса были уже изготовлены. И доработку радиолокатора его разработчики делать отказались. Пришлось поработать баллистикам, чтобы найти решение почти неразрешимой задачи.
И решение было найдено — надо было перераспределить тормозные импульсы первой и второй ступеней Лунного корабля. Но, если с первой ступенью было все ясно — нужно было всего лишь недозаправить баки топливом, не внося изменений в конструкцию, то со второй ступенью было сложнее: нужно было в баки дополнительно влить около 250 кг компонентов, а свободных объемов там не было. Главный конструктор проекта академик В. П. Мишин такую доработку не хотел принимать, так как могут существенно измениться сроки. Спас положение М.К.Янгель, конструкторскому бюро которого было поручено создание ракетного блока Лунной кабины. Изучив наши проблемы, глубоко разобравшись в технической сути предложения, он выступил на Совете главных конструкторов с предложением провести необходимые доработки ракетного блока (речь шла о вставках в топливные баки), по сути не меняя согласованных сроков поставки готовой материальной части. Но это касалось только пилотируемой экспедиции, а что делать на двух ближайших пусках комплекса, которые планировались в 1971 г.? И ракеты и головные блоки лежали в сборочном корпусе практически собранными. Положение складывалось драматическое.
Совещание у заместителя главного конструктора системы управления Лунного комплекса М.С.Хитрика. Жаркий летний день. Около двадцати самых опытных специалистов методом «мозговой атаки» пытаются нащупать выход из, казалось, абсолютно тупиковой ситуации. Уже прошел короткий обеденный перерыв, заканчивается день, все предложения высказаны, обсуждены, а решения нет, как и не было. И тут слово просит молодой инженер-баллистик и робко с мелом у доски излагает, на первый взгляд, совершенно абсурдную идею. Он предлагает не только недотормаживаться на первой ступени, как уже принято для штатного пилотируемого варианта, а наоборот — перетормозиться первой ступенью на 30–40 м/сек. Траектория лунного посадочного комплекса — связка первой, второй ступеней и самой лунной кабины — при этом совершает, образно говоря, «мертвую петлю» (и такой цирковой номер почти у самой лунной поверхности на высоте 3–4 км!). Что это дает? А очень просто — при гашении остаточной скорости на участке прецизионного торможения лунная кабина, а следовательно, и лучи посадочного радиолокатора будут отворачиваться от отделившейся первой ступени дополнительно почти на тридцать градусов, и локатор не схватит отраженный от первой ступени сигнал, в результате нормальное функционирование системы будет обеспечено. То есть вообще не требуется никаких доработок материальной части, а лишь перезакладка в полете «у ставок» на участке торможения. При первом беспилотном пуске запас энергетики на борту для этого имелся. Как все просто! Надо было там присутствовать в эти минуты, чтобы оценить реакцию всех присутствующих и, в первую очередь, хозяина кабинета: удивлялись, что раньше не додумались до этого, шутили на тему, что о нас подумают наши американские коллеги, которые наверняка зафиксируют наш цирк, совершенно непонятный для непосвященного человека — петля Нестерова при посадке на Луну!.. Минуты разрядки прошли, и тут же было подписано решение: делать именно так. Правда, в реальном полете дело до этого не дошло — уже на первых секундах после старта носителя с Земли в очередной раз нас ждало разочарование.