Năm 1967, Hoa Kỳ và Liên Xô đang cạnh tranh nhau gay gắt trong cuộc đua đưa người lên Mặt trăng. Chương trình bay lên Mặt trăng bằng tàu vũ trụ có người lái của Liên Xô đã nhận được sự phê duyệt chính thức của chính phủ vào năm 1964, và một trong những chìa khóa để thực hiện điều này là việc phát triển thành công tên lửa đẩy N1, có kích thước tương đương với tên lửa Saturn V.

Vào ngày 25 tháng 11 năm 1967, chưa đầy ba tuần sau vụ phóng đầu tiên của Saturn V trong sứ mệnh Apollo 4, Liên Xô đã phóng tên lửa đẩy N1 từ bệ phóng 110R mới được xây dựng tại Sân bay vũ trụ Baikonur ở Kazakhstan thuộc Liên Xô. Tên lửa đặc biệt này, được chỉ định là 1M1 và còn được gọi là Tên lửa huấn luyện và thử nghiệm, thực sự là một mô hình thử nghiệm, và được thiết kế để các kỹ sư có thêm kinh nghiệm quý giá trước khi triển khai tên lửa thực tế. Các thử nghiệm tương tự cũng được thực hiện với mô hình thử nghiệm tên lửa Saturn V tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy, Florida giữa năm 1966. Trong khi tên lửa đẩy Saturn V được đưa đến bệ phóng theo phương thẳng đứng, thì người ta di chuyển N1 theo phương ngang và sau đó được nâng lên phương thẳng đứng ở bệ phóng - giúp việc di chuyển tên lửa diễn ra nhanh hơn. Ngày 11/11, sau khi hoàn tất các thử nghiệm, tên lửa đẩy N1 được hạ xuống và đưa ra khỏi tòa nhà lắp ráp tên lửa. Những năm sau này tên lửa mô hình 1M1 vẫn tiếp tục được sử dụng để thử nghiệm tích hợp tại các bệ phóng mới.

Mặc dù cuộc thử nghiệm này được thực hiện trong bí mật, một vệ tinh do thám của Mỹ đã chụp được ảnh tên lửa đẩy N1 trên bệ phóng không lâu trước khi nó được đưa trở lại tòa nhà lắp ráp. NASA Administrator James Webb có quyền truy cập vào thông tin này và các thông tin tình báo tương tự khác cho thấy rằng người Nga đang lên kế hoạch nghiêm túc cho các sứ mệnh bay lên mặt trăng bằng tàu vũ trụ có người lái. Những thông tin tình báo này đã tác động lên chương trình không gian của Hoa Kỳ. Các ảnh vệ tinh chỉ cho thấy dường như Liên Xô đang chuẩn bị phóng tên lửa mà không phân biệt được tên lửa N1 chỉ là tên lửa mô hình thử nghiệm, và Liên Xô đã chậm hơn Mỹ nhiều tháng trong các mốc thời gian của cuộc đua lên Mặt trăng. in the race to land a human on the Moon. Liên Xô đã rất nỗ lực để có thể thực hiện chuyến bay thử nghiệm tên lửa đẩy N1 vào nửa đầu năm 1968, nhưng vì nhiều lý do kỹ thuật, nỗ lực này đã không thể thực hiện chỉ trong hơn một năm.

Các cấu hình về tên lửa đẩy Mặt trăng ban đầu của Liên Xô

Tháng 5 năm 1961, Mỹ tuyên bố mục tiêu đưa người lên Mặt trăng vào năm 1970. Trong cùng tháng, báo cáo Về việc xem xét lại các kế hoạch cho các phương tiện vũ trụ theo hướng mục đích quốc phòng (On Reconsideration of the Plans for Space Vehicles in the Direction of Defense Purposes) đã nêu mốc thời gian cho vụ phóng thử đầu tiên của tên lửa đẩy N1 là vào năm 1965. Vào tháng 6, Korolev được cấp một khoản kinh phí nhỏ để bắt đầu phát triển tên lửa N1 giai đoạn 1961-1963. Đồng thời, Korolev đề xuất một sứ mệnh lên mặt trăng dựa trên tàu vũ trụ Soyuz mới, sử dụng quỹ đạo điểm hẹn Trái đất. Một vài tên lửa đẩy Soyuz có thể sử dụng để mang theo các tải trọng khác nhau cho sứ mệnh Mặt trăng, bao gồm 1 tên lửa mang tàu vũ trụ Soyuz, một tên lửa khác mang theo tàu đổ bộ Mặt trăng, và một vài tên lửa mang nhiên liệu. Cách tiếp cận này, chủ yếu là do tải trọng của tên lửa đẩy Soyuz khi đó rất hạn chế, đồng nghĩa với việc Liên Xô phải phóng tên lửa với tần suất rất cao, để có thể tiến hành lắp ráp các bộ phận thành module Mặt trăng, trước khi các bộ phận được đưa lên quỹ đạo trước đó rơi trở lại bầu khí quyển.

Do đó, Korolev đề xuất phát triển tên lửa đẩy siêu nặng N1 có tải trọng đủ để mang theo toàn bộ module Mặt trăng trong một lần phóng tên lửa. Vào tháng 11, 12 năm 1961, Korolev và những kỹ sư khác đã lập luận thêm rằng một tên lửa đẩy siêu nặng cũng đồng thời là một ICBM với khả năng mang đầu đạn siêu nặng, chẳng hạn như bom khinh khí Tsar Bomba vừa được thử nghiệm, hoặc mang được nhiều đầu đạn (lên đến 17 đầu đạn) như một sự khẳng định cho thiết kế tên lửa N1.[9][10] Korolev không có khuynh hướng sử dụng tên lửa đẩy cho mục đích quân sự, nhưng để phát triển tên lửa đẩy cho tham vọng không gian của ông, ông cần có sự hỗ trợ từ quân đội. Giới chức quân đội cho rằng N1 có ít tính hữu dụng trong quân sự và lo ngại nó sẽ gây hao tổn quỹ đầu tư thay vì đầu tư cho các dự án quân sự thuần túy. Những trao đổi thư từ giữa Korolev và các nhà lãnh đạo quân sự tiếp diễn cho đến tháng 2 năm 1962 với một chút tiến triển.

Trong khi đó, Viện thiết kế chế tạo máy (OKB-52) của nhà thiết kế tên lửa Vladimir Nikolayevich Chelomey đề xuất thực hiện một sứ mệnh khác với rủi ro thấp hơn nhiều. Thay vì đưa phi hành gia hạ cánh lên Mặt trăng, Chelomey đề xuất thực hiện các sứ mệnh bay quanh Mặt Trăng. Ông cũng đề xuất sử dụng 3 tên lửa UR-200 (còn gọi với cái tên SS-10 tại phương Tây) để tạo thành một tầng đẩy phụ lớn hơn, UR-500. Những kế hoạch này đã bị hủy bỏ khi Glushko đề nghị Chelomei sử dụng động cơ RD-270, cho phép chế tạo tên lửa đẩy UR-500 theo thiết kế "monoblock" đơn giản hơn nhiều. Ông cũng đề xuất điều chỉnh thiết kế của tàu vũ trụ LK-1 đã có sẵn cho sứ mệnh bay xung quanh Mặt trăng. Chelomei cũng cảm nhận rằng việc cải tiến UR-500/LK-1 sẽ giúp tàu vũ trụ có khả năng mang được hai phi hành gia.

Lực lượng Tên lửa Chiến lược của quân đội Liên Xô đã miễn cưỡng hỗ trợ cho dự án dù cho dự án ít có tiềm năng về quân sự. Từ năm 1961 đến năm 1964, phương án an toàn hơn của Chelomei đã được chấp nhận và việc phát triển tên lửa đẩy UR-500 và tàu LK-1 của ông được ưu tiên tương đối cao.

Bắt đầu phát triển tên lửa N1

Valentin Glushko, người mà nắm giữ vị trí độc quyền trong thiết kế động cơ tên lửa của Liên Xô đã đề xuất sử dụng động cơ tên lửa RD-270 cho tên lửa N1. Động cơ sử dụng chất đẩy là hỗn hợp nhiên liệu unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH) và chất ô xy hóa nitrogen tetroxide (N2O4). Đây là một chất đẩy Hypergolic, nhiên liệu và chất ô xy hóa sẽ bốc cháy ngay khi chúng trộn lẫn với nhau, làm giảm độ phức tạp trong thiết kế của động cơ và chất đẩy này cũng được sử dụng rộng rãi trong các động cơ do Glushko thiết kế đã trang bị trên nhiều loại ICBM trước đó. Động cơ RD-270 đang trong quá trình thử nghiệm trước khi toàn bộ chương trình bị gủy bỏ, động cơ có xung lực đẩy riêng cao hơn động cơ Rocketdyne F-1 dù cho việc sử dụng chất đẩy UDMH/N2O4 vốn bị cho là sẽ làm động cơ có xung lực đẩy thấp hơn. Động cơ F-1 đã được phát triển từ năm năm trước đó nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề trong ổn định buồng đốt.

Glushko chỉ ra rằng tên lửa đẩy Titan II GLV (Loại tên lửa đẩy được phát triển từ tên lửa ICBM LGM-25C Titan II) đã thực hiện thành công chương trình Gemini có người lái cũng sử dụng loại chất đẩy tương tự. Tuy nhiên Korolev cảm thấy việc sử dụng các nhiên liệu độc hại và khí thải của chúng sẽ gây ra các vấn đề về an toàn cho tổ bay, và sử dụng chất đẩy kerosene/LOX sẽ là một lựa chọn tốt hơn. Sự bất đồng giữa Korolev và Glushko về vấn đề nhiên liệu cho tên lửa sau này đã trở thành một vấn đề lớn cản trở sự tiến bộ trong chương trình tên lửa của Liên Xô.[11][12]

Giữa hai người có những bất đồng trong mối quan hệ cá nhân. Korolev luôn coi Glushko là người phải chịu trách nhiệm cho việc ông bị giam giữ tại Kolyma Gulag vào những năm 1930 trong khi Glushko coi Korolev là người kiêu ngạo và chuyên quyền đối với những thứ nằm ngoài khả năng của mình. Sự khác biệt về quan điểm đã dẫn đến sự bất hòa giữa Korolev và Glushko. Năm 1962, một ủy ban được chỉ định để giải quyết các bất đồng và được Korolev chấp thuận. Glushko từ chối việc phát triển động cơ LOX/dầu hỏa và từ chối làm việc với Korolev. Korolev cuối cùng đã từ bỏ sử dụng động cơ của Glushko và quyết định nhờ sự giúp đỡ của nhà thiết kế động cơ phản lực Nikolai Dmitriyevich Kuznetsov, người đứng đầu viện thiết kế động cơ OKB-276, trong khi Glushko hợp tác với các nhà thiết kế tên lửa khác như Chelomei và Yangel để chế tạo các tên lửa đẩy rất thành công sau này là Proton, Zenit, và Energia.

Kuznetsov, vốn là người có rất ít kinh nghiệm trong việc phát triển động cơ cho tên lửa, thiết kế động cơ tên lửa NK-15 cho tên lửa của Korolev, một động cơ tương đối nhỏ. Để có thể đáp ứng yêu cầu về lực đẩy cần thiết, các kỹ sư phải sử dụng tới 30 động cơ NK-15 đặt theo cụm. Vòng ngoài gồm 24 động cơ và vòng trong gồm sáu động cơ sẽ được ngăn cách bởi một khe hở không khí, với luồng không khí được cung cấp qua các cửa hút gần đầu bộ tăng áp. Không khí sẽ được trộn với khí phụt để tăng thêm lực đẩy, đồng thời cũng giúp làm mát động cơ. Việc sắp xếp 30 miệng xả động cơ trên tầng đẩy thứ nhất của tên lửa đẩy N1 có thể là một nỗ lực của các nhà thiết kế để tạo ra một phiên bản thô sơ của hệ thống động cơ aerospike; các động cơ aerospike theo quy ước cũng được nghiên cứu.

Tổ hợp N1/L3

Korolev dự định sử dụng tên lửa đẩy N1 lớn hơn bao gồm tải trọng Mặt trăng L3 dựa trên hệ thống tên lửa đẩy Soyuz 7K-L3. Tải trọng L3 bao gồm tầng đẩy tên lửa, tàu vũ trụ Soyuz đã được sửa đổi, và tàu đổ bộ LK. Tất cả sẽ được phóng lên quỹ đạo nhờ N1. Phương án của Chelomei là sử dụng một tên lửa đẩy ghép từ các tên lửa UR-500, ở mũi tên lửa sẽ là tàu vũ trụ L1 đang được phát triển, và một tàu đổ bộ do viện thiết kế của ông phát triển. Tên lửa của Korolev được lựa chọn vào tháng 8 năm 1964, nhưng Chelomei vẫn được phép tiếp tục công việc phát triển tổ hợp UR-500/L1 của mình.

Khi Khrushchev rời khỏi cương vị lãnh đạo vào năm 1964, cuộc đấu nội bộ giữa hai đội thiết kế của Korolev và Chelomey bắt đầu lại. Tháng 10 năm 1965, chính phủ Liên Xô ra lệnh thỏa hiệp; nhiệm vụ bay quanh quỹ đạo Mặt trăng sẽ được thực hiện bằng tên lửa UR-500 của Chelomei kết hợp với sử dụng tàu vũ trụ Soyuz của Korolev thay cho Chương trình Zond ("tàu thăm dò"), dự định phóng vào năm 1967 để kỷ niệm 50 năm Cách mạng Tháng Mười. Korolev, trong lúc đó, sẽ tiếp tục phát triển tên lửa đẩy N1-L3. Korolev đã thắng trong cuộc cạnh tranh, nhưng Chelomey vẫn được phép tiếp tục phát triển tải trọng L1, cũng như chương trình Zond.

Năm 1966, Chương trình Gemini của Mỹ đã đảo ngược vị trí dẫn đầu của Liên Xô trong cuộc chạy đua không gian, Korolev ban đầu vận động hành lang cho một sứ mệnh bay quanh quỹ đạo của phi hành đoàn, nhưng bị từ chối. Cuối cùng, ông đã thành công khi ngày 3 tháng 8 năm 1964, Ủy ban Trung ương cuối cùng thông qua một nghị quyết có tiêu đề "Về công việc liên quan đến nghiên cứu Mặt trăng và không gian vũ trụ" với mục tiêu đưa một phi hành gia hạ cánh lên Mặt trăng trong khung thời gian từ năm 1967 đến 68, trước các sứ mệnh Apollo của Mỹ.[13]

Sau khi Korolev qua đời vào năm 1966 do các vấn đề hậu phẫu, công việc phát triển tổ hợp N1-L3 được tiếp tục bởi Vasily Mishin. Mishin không có sự sắc sảo về chính trị hay tầm ảnh hưởng như Korolev, hơn nữa còn nổi tiếng là người nghiện rượu nặng. Những vấn đề này cùng với 4 lần phóng thử thất bại của N1 đã làm toàn bộ chương trình bị hủy bỏ cùng với đó là toàn bộ chương trình đưa người lên Mặt trăng.

N1F

Mishin tiếp tục công việc phát triển dự án N1F sau khi sứ mệnh đưa người hạ cánh lên Mặt trăng bị hủy bỏ, với hi vọng rằng tầng đẩy phụ sẽ được sử dụng để xây dựng căn cứ Zvezda trên Mặt trăng. Chương trình đã bị hủy bỏ vào năm 1974 khi Mishin bị Glushko thay thế. Hai tên lửa N1F đã sẵn sảng để được phóng thử vào lúc đó, tuy nhiên kế hoạch phóng cũng đã bị hủy.

Hai tên lửa đẩy N1F đã bị loại bỏ và phần còn lại của chúng vẫn có thể được tìm thấy quanh Baikonur nhiều năm sau được sử dụng làm nơi trú ẩn và kho chứa.

Về sau

Tiếp nối chương trình N1 là chương trình tên lửa đẩy cỡ lớn, sử dụng chất đẩy Syntin/LOX mang tên "Vulkan". Về sau chất đẩy này đã được thay thế bằng LH2/LOX ở tầng đẩy thứ 2 và 3. "Vulkan" được thay thế bởi chương trình tên lửa Energia/Buran vào năm 1976.[14][15]

Đã có khoảng 150 động cơ tên lửa nâng cấp sản xuất cho tên lửa đẩy N1F được giữ lại. Mặc dù tổng thể tên lửa không đáng tin cậy, nhưng động cơ NK-33 và NK-43 rất chắc chắn và đáng tin cậy khi được sử dụng như một đơn vị độc lập. Vào giữa những năm 1990, Nga đã bán 36 động cơ với giá 1,1 triệu USD mỗi chiếc và giấy phép sản xuất động cơ mới cho công ty Aerojet General của Mỹ.[16]

Aerojet cũng sửa đổi NK-33 để kết hợp khả năng điều khiển véc tơ lực đẩy cho tên lửa đẩy Antares của công ty Orbital Science. Tên lửa Antares sử dụng hai động cơ NK-33 đã sửa đổi (AJ-26) cho tầng đẩy thứ nhất. Sau bốn lần phóng tên lửa Antares diễn ra thành công, lần phóng thứ năm tên lửa phóng thất bại do lỗi của động cơ, do đó, công ty Aerojet đã ngừng sử dụng động cơ này trong tương lai.[17]

Tại Nga, động cơ của tên lửa N1 không được sử dụng cho đến năm 2004, khi khoảng 70 động cơ đã được sử dụng vào thiết kế tên lửa mới là Soyuz 3.[18][19] Tính đến năm 2005[cập nhật], dự án đã bị đóng băng do thiếu tài trợ. Thay vào đó, NK-33 đã được sử dụng trên tầng đẩy thứ nhất của phiên bản tên lửa Soyuz hạng nhẹ, phóng lần đầu vào ngày 28/12/2013.[20]