N1-L3 (11A52)

Le N1-L3 est le nom de l'ensemble formé par la fusée N1 (indice GRAU 11A52, désignation Sheldon G-1-e, SL-15 pour le département américain de la Défense) et le complexe lunaire L3 qu'elle devait emporter. C'était la réponse soviétique à Apollo : un alunissage habité par rendez-vous en orbite lunaire, avec deux cosmonautes à bord dont un seul descendait à la surface. Le N1 proprement dit comptait trois étages, les blocs A, B et V, destinés à placer le L3 sur une orbite basse de stationnement ; le L3 en ajoutait deux autres, le bloc G pour l'injection translunaire et le bloc D pour les corrections de trajectoire, l'insertion en orbite lunaire et le début de la descente, ainsi que l'atterrisseur monoplace LK et l'orbiteur biplace Soyuz 7K-LOK pour le retour. C'est pourquoi certaines sources parlent d'une fusée à trois étages et d'autres d'une fusée à cinq étages. Les lettres sont L3, et non « LZ » : le Ze cyrillique et le chiffre 3 sont confondus dans certaines sources russes, mais L3 était la troisième des cinq branches du programme lunaire soviétique, celle de l'alunissage habité.

Korolev proposa un N1 plus grand, associé au nouvel ensemble L3, et son projet l'emporta en août 1964 sur l'alternative de Tchelomeï fondée sur l'UR-500. La résolution du 3 août 1964 fixa pour objectif de poser un cosmonaute sur la Lune en 1967 ou 1968. L'avant-projet de 1964 prévoyait 2 750 tonnes au décollage et 95 tonnes en orbite basse ; pour y parvenir, un noyau de six moteurs fut ajouté à la couronne de 24 moteurs de la conception de 1962. Malgré cela, l'État ne reconnut le N1-L3 comme unique programme d'alunissage que par une résolution de février 1967. Korolev mourut en janvier 1966 et le projet passa à son adjoint, Vassili Michine.

Elle mesurait 105 mètres avec sa charge utile L3 et 17 mètres de large à la base. Les trois étages inférieurs formaient un seul tronc de cône, car à l'intérieur de chacun un réservoir sphérique de kérosène, plus petit, était posé sur un réservoir d'oxygène liquide plus grand ; le L3 voyageait à l'intérieur d'une coiffe d'environ 3,5 mètres de large. Le bloc A emportait 30 moteurs NK-15 : 24 sur le pourtour extérieur et 6 dans le noyau, à environ la moitié du diamètre. Le tangage et le lacet étaient commandés par une poussée différentielle des moteurs de la couronne extérieure ; le noyau ne jouait aucun rôle dans le pilotage. Il comptait quatre ailerons à grille, une durée de combustion prévue de 125 secondes et une masse à vide de 180,8 tonnes. Sa poussée totale, 45 400 kN dans le texte de l'encyclopédie (l'infobox indique 45 780 kN au niveau de la mer et 46 320 kN dans le vide), dépassait les 33 700 kN de la Saturn V et ne fut battue qu'en 2023 par la Super Heavy de SpaceX. Le bloc B montait 8 moteurs NK-15V, des versions du NK-15 dotées d'une tuyère différente et réglées pour l'allumage en altitude, qui délivraient 14 064 kN, avec une combustion de 120 secondes et 52,2 tonnes à vide. Le bloc V emportait 4 moteurs NK-21 (l'infobox de la Wikipédia anglophone indique des NK-19), 1 800 kN, une combustion de 370 secondes et 13,7 tonnes à vide. Des marges en cas de panne moteur étaient prévues : le bloc A pouvait voler avec deux paires de moteurs opposés coupés (26 sur 30), le bloc B avec une paire (6 sur 8) et le bloc V avec trois de ses quatre moteurs.

Les chiffres de masse et de charge utile dépendent du N1 dont on parle. Astronautix indique que les exemplaires d'essai qui ont volé ne dépassaient pas 2 735 tonnes au décollage ni 70 tonnes de capacité de charge utile en orbite terrestre, car ils n'ont jamais utilisé la charge d'ergols surrefroidis prévue dans l'avant-projet. La Wikipédia en espagnol donne de même 70 tonnes en orbite basse pour les exemplaires d'essai et réserve les 95 tonnes aux exemplaires de série qui n'ont jamais été construits. RussianSpaceWeb attribue au N1 (11A52) 82 tonnes de charge utile, 2 825 tonnes au décollage et 281 tonnes à vide, et donne au système N1/L3 de 2 783 à 2 825 tonnes au décollage, avec 1 780 tonnes d'oxygène liquide et 680 tonnes de kérosène dans les trois étages.

Faire fonctionner 30 moteurs exigeait un système dédié, le KORD (« contrôle des moteurs de fusée »), qui coupait un moteur défaillant et son opposé afin de conserver une poussée symétrique de la couronne extérieure. Il se révéla l'un des points faibles de la fusée : il présentait de graves défauts de conception, une logique mal programmée et une fréquence de fonctionnement de 1000 Hz qui coïncidait avec les vibrations du véhicule, et il ne pouvait pas réagir à des événements très rapides comme l'explosion d'une turbopompe. Pour le dernier vol, il fut amélioré et complété par le S-530, premier système numérique soviétique de guidage et de contrôle : une unité dans le bloc V pour les trois premiers étages et une autre dans le Soyuz LOK pour le reste de la mission. Le contrôle qualité était lui aussi léger : sur chaque lot de sept NK-15 (six, selon Sergueï Khrouchtchev dans la Wikipédia anglophone), deux étaient allumés puis mis au rebut, et le premier étage complet ne fut jamais testé à feu au banc.

Le véhicule 3L décolla le 21 février 1969 du site 110 de Baïkonour avec un Zond L1S-1. En quelques secondes, le KORD coupa le moteur 12 après un transitoire de tension, puis le moteur 24 par symétrie ; le pogo arracha des composants, une fuite de carburant déclencha un incendie dans la queue, et le KORD coupa tout le premier étage à 68 secondes (68,7 selon RussianSpaceWeb). Les débris retombèrent à 52 kilomètres du pas de tir.

Le véhicule 5L fut lancé le 3 juillet 1969 à 23 h 18, heure de Moscou, depuis le pas de tir 110 Est avec le L1S-2. La turbopompe d'oxygène liquide du moteur 8 avait explosé juste avant le décollage ; tous les moteurs sauf le numéro 18 s'arrêtèrent, la fusée s'inclina de 45 degrés et retomba sur le pas de tir à 23 secondes. Près de 2 300 tonnes d'ergols rasèrent le complexe, bien que jusqu'à 85 % n'aient jamais détoné ; la tour de sauvetage sauva la capsule. La reconstruction du pas de tir prit 18 mois, et des filtres à carburant furent installés par la suite.

Le véhicule 6L vola le 26 juin 1971 (27 juin selon RussianSpaceWeb) depuis le pas de tir 110 Ouest avec des maquettes de LOK et de LK. Un roulis incontrôlé de 6 degrés par seconde atteignit près de 40 à 39 secondes ; la fusée se disloqua à 48 secondes et le premier étage fut coupé à 50 (50,1 selon RussianSpaceWeb), lorsque la commande d'arrêt fut débloquée. Pour le vol suivant, des moteurs de stabilisation dédiés furent ajoutés et les capteurs passèrent de 700 à 13 000.

Le véhicule 7L décolla le 23 novembre 1972 avec un véritable Soyuz 7K-LOK et une maquette de LK. À 90 secondes, les six moteurs du noyau furent coupés comme prévu ; le choc hydraulique qui en résulta fit éclater des conduites d'alimentation, le moteur 4 explosa, et le premier étage commença à se disloquer à 107 secondes, 15 secondes avant la séparation prévue. La tour de sauvetage sauva le LOK.

Aucun N1-L3 n'atteignit jamais l'orbite. En mai 1974, Michine fut limogé et Valentin Glouchko annula le N1 et l'alunissage habité. La version améliorée propulsée par des NK-33, le N1F, ne vola jamais.