N1 là một tên lửa đẩy có kích thước rất lớn, cao 105 mét (344 ft) khi có mang thêm tải trọng L3. Hệ tên lửa đẩy/tải trọng N1/L3 có tổng thể gồm 5 tầng đẩy: ba tầng đẩy đầu (N1) dùng để đưa vào quỹ đạo Trái đất "đỗ" tầm thấp, và hai tầng đẩy còn lại (L3) đóng vai trò tạo lực đẩy đưa tàu vào quỹ đạo chuyển tiếp Mặt trăng và tạo lực đẩy tàu vào quỹ đạo Mặt trăng. Khi được nạp đủ nhiên liệu, N1-L3 có trọng lượng 2.750 tấn (6.060.000 lb). Ba tầng đẩy đầu (N1) có hình dáng giống như một hình nón cụt có bề rộng chân đáy là 17 mét (56 foot),[21] trong khi phần L3 phần lớn có dạng hình trụ, rộng 3,5 mét (11 foot).[22] Dạng hình nón của các tầng đẩy bên dưới là do sự sắp xếp của các bồn chứa bên trong thân tên lửa, trong đó bồn chứa dầu hỏa hình cầu nhỏ hơn ở trên cùng của bình oxy lỏng lớn hơn bên dưới.

Trong suốt thời gian N1 được phát triển và thử nghiệm, một loạt động cơ đã cải tiến đã được sản xuất để thay thế những động cơ được sử dụng trong thiết kế ban đầu. Kết quả là tên lửa N1F. Đã có hai tên lửa N1F được chế tạo nhưng chúng chưa được phóng thử nghiệm do chương trình bị hủy bỏ

Block A tầng đẩy thứ nhất

Tầng đẩy thứ nhất, Block A, trang bị 30 động cơ NK-15 được sắp xếp thành hai vòng, vòng ngoài có 24 động cơ và vòng trong có 6 động cơ. Vòng trong có đường kính khoảng một nửa đường kính thân.[23] Hệ thống điều khiển chủ yếu dựa trên sự điều chỉnh vi sai của các động cơ ở vòng ngoài để điều khiển tên lửa chúc/ngẩng và thay đổi hướng bay. Các động cơ ở vòng trong không được sử dụng để điều khiển tên lửa.[24] Trên Block A có bổ sung bốn vây lưới, về sau thiết kế này cũng được sử dụng trên các tên lửa không đối không của Liên Xô. Tổng cộng, 30 động cơ NK-15 của Block A sản sinh ra lực đẩy 45.400 kN (10.200.000 lbf) và có thể xếp nó vào loại tầng đẩy thuộc loại Nova [25] (Nova là tên gọi được NASA sử dụng để mô tả các tầng đẩy sản sinh ra lực đẩy khoảng từ 10-20 triệu pound).[26][27][28] Lực đẩy do Block A sản sinh lớn hơn lực đẩy 33.700 kN (7.600.000 lbf) của tên lửa Saturn V.[29]

Hệ thống kiểm soát động cơ

Hệ thống kiểm soát động cơ KORD (KOntrol Raketnykh Dvigateley—nghĩa đen là "Điều khiển động cơ tên lửa"—Russian: Контроль ракетных двигателей)[30] là hệ thống điều khiển động cơ tự động được tạo ra để tăng ga, tắt máy và giám sát 30 động cơ của Block A (tầng đẩy thứ nhất). Hệ thống KORD sẽ điều chỉnh lực đẩy của 24 động cơ vòng ngoài để tiến hành điều khiển trạng thái tên lửa chúc/ngẩng và xoay và nó cũng tiến hành tắt động cơ trong trường hợp động cơ đối diện ngừng hoạt động. Block A có thể hoạt động bình thường với hai cặp động cơ đối diện nhau được tắt (26/30 động cơ). Tuy nhiên, hệ thống KORD không thể phản ứng với các quá trình xảy ra quá nhanh, như trường hợp nổ bơm tăng áp trong lần phóng thứ hai của N1.[31] Do những khiếm khuyết của hệ thống KORD, một hệ thống máy tính mới đã được phát triển cho lần phóng thử nghiệm thứ tư và cũng là lần cuối cùng. S-530 khi đó là hệ thống kiểm soát và dẫn đường kỹ thuật số đầu tiên của Liên Xô,[32] nhưng không giống như KORD, về cơ bản chỉ là một hệ thống điều khiển động cơ analog, máy tính S-530 giám sát tất cả các nhiệm vụ điều khiển trong tên lửa đẩy và tàu vũ trụ. Tên lửa đẩy N1 trang bị 2 máy tính loại này, một chiếc đặt ở tầng đẩy thứ ba (Block V) có nhiệm vụ điều khiển tất cả các động cơ của 3 tầng đẩy bên dưới (N1) của tên lửa. Chiếc máy tính S-530 thứ hai được đặt trong module chỉ huy Soyuz LOK và có nhiệm vụ điều khiển phần còn lại của sứ mệnh, từ điều khiển động cơ đẩy tàu vũ trụ theo quỹ đạo chuyển tiếp Mặt trăng, bay ngang qua Mặt trăng, và quay trở lại Trái đất.[33][34]

Block B-tầng đẩy thứ 2

Tầng 2 của tên lửa, Block B, sử dụng 8 động cơ NK-15V được sắp xếp theo một vòng tròn. Tầng đẩy Block B của tên lửa N1F sử dụng động cơ NK-43.

Block B có khả năng vận hành bình thường khi một cặp động cơ đối diện nhau ngừng hoạt động (6/8 động cơ).[31]

Block V-tầng đẩy thứ 3

Tầng đẩy thứ 3, Block V (Chữ V (Latinh) hay chữ B (Kirin) là chữ cái thứ 3 trong bảng chữ cái tiếng Nga), sử dụng 4 động cơ NK-21 nhỏ hơn, xếp theo hình vuông. Tầng đẩy Block V của tên lửa N1F thay thế động cơ NK-21 bằng động cơ NK-31.

Block V vẫn hoạt động bình thường nếu một trong bốn động cơ gặp trục trặc.[31]

Vấn đề

Hệ thống ống dẫn cấp nhiên liệu và chất ô xy hóa vào các động cơ khá mỏng manh, và là nguyên nhân chính dẫn đến thất bại 2 trong số 4 lần phóng thử tên lửa. Không thể vận chuyển tên lửa bằng sà lan hạng nặng đến tổ hợp bệ phóng tại Baikonur qua đường thủy. Người ta phải vận chuyển các thành phần của tên lửa bằng đường sắt, sau đó mới lắp ghép lại tên lửa tại bệ phóng.

Động cơ NK-15 có một số van được kích hoạt bằng pháo hoa chứ không phải bằng thủy lực hoặc cơ khí, đây là một thiết kế nhằm giảm trọng lượng động cơ. Sau khi đóng, các van không thể mở lại được.[35] Điều này có nghĩa là các động cơ cho Block A chỉ được thử nghiệm riêng lẻ và toàn bộ cụm 30 động cơ không bao giờ được kích hoạt cùng lúc như một hệ thống hoàn chỉnh trong thử nghiệm tĩnh. Do đó các vấn đề về đường ống dẫn, bơm, các vấn đề thủy lực của động cơ không được phát hiện ra trước chuyến phóng thử nghiệm N1.[36] Block B và V được thử nghiệm tĩnh như một hệ thống hoàn chỉnh.

Vì những khó khăn về kỹ thuật và thiếu kinh phí cho việc thử nghiệm toàn diện, tên lửa N1 đã không bao giờ hoàn thành giai đoạn thử nghiệm. Mười hai chuyến bay thử nghiệm đã được lên kế hoạch, nhưng chỉ có bốn lần tên lửa được phóng thử, tất cả đều thất bại trước khi tiến hành tách tầng đẩy Block A khỏi tên lửa. Chuyến bay dài nhất kéo dài 107 giây, ngay trước khi tiến hành tách tầng Block A. Hai lần phóng thử nghiệm diễn ra vào năm 1969, một lần vào năm 1971, và lần cuối cùng vào năm 1972.

So sánh với tên lửa đẩy Saturn V

Với chiều cao 105 mét (344 ft), tên lửa N1-L3 thấp hơn một chút so với tên lửa đẩy Saturn V-Apollo là 111 mét (363 ft). Tên lửa N1 có đường kính thân trung bình nhỏ hơn, nhưng có đường kính chân đế tên lửa lớn hơn (17 m/56 ft so với 10 m/33 ft). Tên lửa N1 cũng có lực đẩy lớn hơn ở mỗi tầng đẩy trong số 3 tầng đẩy bên dưới (N1) của nó so với các tầng đẩy tương ứng của Saturn V. N1-L3 có tổng xung lực đẩy của 4 tầng tên lửa bên dưới lớn hơn xung lực đẩy của 3 tầng đẩy của tên lửa Saturn V (Xem bảng bên dưới).

N1 được thiết kế để mang được tải trọng L3, khoảng 95 t (209.000 lb), lên quỹ đạo Trái đất tầm thấp,[37] với tầng đẩy thứ 4 mang theo tổ hợp L3 có nhiệm vụ đặt tải trọng 23,5 t (52.000 lb) vào quỹ đạo chuyển tiếp Mặt trăng. Để so sánh, tên lửa đẩy Saturn V có khả năng mang khoảng 45 t (100.000 lb) khối lượng tàu Apollo cộng với khoảng 74,4 t (164.100 lb) nhiên liệu còn lại trong tầng đẩy S-IVB có vai trò tạo lực đẩy tàu vũ trụ theo quỹ đạo chuyễn tiếp Mặt trăng.

Tên lửa đẩy N1 sử dụng nhiên liệu tên lửa có gốc từ dầu hỏa trong cả ba tầng đẩy chính, trong khi tên lửa Saturn V sử dụng Hydro lỏng làm nhiên liệu cho động cơ của tầng tên lửa thứ 2 và thứ 3, mang lại lợi thế về hiệu suất tổng thể do xung lực đẩy riêng cao hơn. N1 cũng không sử dụng hiệu quả thể tích của nó để chứa chất đẩy tên lửa khi tên lửa N1 sử dụng các bể chứa chất đẩy hình cầu bên trong thân tên lửa hình nón. Trong khi Saturn V sử dụng các bể chứa hydro lỏng và oxy lỏng dạng viên nang bên trong một thân tên lửa hình trụ, với các vách ngăn chung giữa các bể chứa ở tầng tên lửa thứ 2 và 3.[cần dẫn nguồn]

Ba tầng đẩy đầu tiên của tên lửa N1-L3 chỉ có hiệu suất 9,3% (so với tên lửa Saturn V là 12,14%), 4 tầng đẩy L3 chỉ có hiệu suất 3,12% so với 6,2% của tên lửa Saturn V.