ТЯГА
«САТУРН-5» И Н-1

Чтобы выйти на низкую околоземную орбиту, нужно около 9,4 км/с с учётом сопротивления воздуха и борьбы с тяготением, а чтобы улететь с неё к Луне — примерно ещё 3 км/с (см. «Физику космического полёта»). Уравнение ракеты говорит: прирост скорости растёт лишь как логарифм отношения массы полной ракеты к пустой. Каждая тонна баков и двигателей, которую везут до самого конца, делает следующий километр в секунду дороже.

Ответ — ступенчатость: сжечь одну ракету до пустых баков, сбросить её и зажечь меньшую, которой уже не нужно тащить большие баки. У обеих лунных ракет было по три основных ступени для выхода на орбиту и разгона к Луне. Конструкторы очень по-разному решили, как строить первую ступень, — и именно здесь истории расходятся.

«Сатурн-5» имел высоту 363 фута (110,6 м) [2]. Его первая ступень S-IC сжигала керосин с жидким кислородом в пяти двигателях F-1 с номинальной тягой 1 522 000 фунтов каждый — 7,61 млн фунтов вместе [1]. Удельный импульс F-1 был около 265 с [3]: не экономично, но невероятно мощно. На второй ступени S-II стояли пять двигателей J-2 на жидком водороде, а на третьей, S-IVB, — один J-2, включавшийся дважды: чтобы завершить выход на орбиту и чтобы уйти к Луне [1][2].

NASA записывало массу каждой ступени при зажигании. У «Аполлона-11» вся ракета весила 6 477 875 фунтов (2938 т), из которых космический корабль — командный и служебный модули, лунный модуль, переходник и башня аварийного спасения — составлял лишь 109 646 фунтов, меньше 2 % [1]. Ниже эти цифры по ступеням прогоняются через уравнение ракеты. Добавьте или уберите полезную нагрузку или посмотрите, на что была бы способна одна гигантская ступень с тем же топливом.

Сергей Королёв и ведущий конструктор ракетных двигателей страны Валентин Глушко разошлись во мнениях о двигателях Н-1, и в июле 1962 года работу передали бюро Николая Кузнецова, почти не имевшему опыта в ракетных двигателях [4]. Двигатели Кузнецова были средней размерности: на первой ступени стояли НК-15 тягой по 153,4 тонны, на второй — восемь НК-15В, на третьей — четыре НК-21 [4]. Когда лунный план вырос, на первую ступень добавили ещё шесть двигателей — всего 30, а стартовая масса выросла с 2200 до 2750 тонн [4].

Много двигателей обещало надёжность: потеря одного-двух компенсируется остальными. Для управления ими создали систему КОРД (контроль работы двигателей), которая должна была отключать неисправный двигатель вместе с диаметрально противоположным, чтобы сохранить симметрию тяги. На практике заставить её работать оказалось гораздо труднее, чем ожидали [4]. Первую ступень с её 30 двигателями ни разу не испытали целиком на стенде перед полётом [4]. Отключайте двигатели противоположными парами ниже.

21 февраля 1969 года (изделие 3Л): КОРД в первые секунды ошибочно отключила два двигателя; затем в хвостовом отсеке начался пожар, и на T+68,7 с система выключила всю первую ступень. 3 июля 1969 года (5Л): за четверть секунды до отрыва металлический обломок попал в насос окислителя, и двигатель № 8 взорвался; КОРД отключала двигатели, пока не остался работать один, и после 23-секундного полёта ракета упала обратно и разрушила стартовый комплекс [4].

27 июня 1971 года (6Л): неуправляемое вращение по крену — обтекание донной части и несимметричные выхлопы пусковых устройств на 30 двигателях создали закручивающий момент, который не смогли парировать рулевые двигатели; на T+50,1 с КОРД выключила двигатели. 23 ноября 1972 года (7Л): лучший полёт — на T+90 с шесть центральных двигателей штатно выключились, но на T+104 с начались неполадки, и взрыв в хвостовом отсеке разрушил бак окислителя всего за семь секунд до отделения первой ступени [4].

«Сатурн-5» летал 13 раз с 1967 по 1973 год и доставил все экипажи, ходившие по Луне (см. ТИШИНА). Крупные, хорошо отработанные двигатели означали, что на первой ступени следить нужно было лишь за пятью.

После четвёртой аварии инженеры спорили, можно ли спасти Н-1 улучшенными двигателями. Глушко утверждал, что её обрекает само число двигателей. Работы приостановили 24 июня 1974 года и официально прекратили 18 февраля 1976 года [4]. Кузнецов к 1972 году уже закончил испытания улучшенных двигателей многократного включения НК-33 и НК-43. Вместо того чтобы уничтожить, он спрятал десятки таких двигателей, и в 1993 году американская компания Aerojet импортировала НК-33, назвав его очень современной техникой по сравнению с американскими керосиновыми двигателями [4].