Центр им. Дж. Маршалла, в котором работали немецкие специалисты, вначале предлагал двухпусковой околоземный орбитальный вариант. На орбиту Земли выводится беспилотная разгонная ракетная ступень. На орбите Земли предполагалась ее стыковка с третьей пилотируемой ступенью, имеющей необходимый для разгона к Луне запас водорода. На земной орбите кислород разгонной ракеты перекачивается в пустой бак окислителя третьей ступени и такая кислородно-водородная ракета разгоняет космический корабль к Луне. Далее могут быть два варианта: прямая посадка на Луну или предварительный выход на орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ). Второй вариант был предложен еще Юрием Кондратюком и независимо от него Германом Обертом в двадцатых годах.
Инженеры центра в Хьюстоне предложили естественное развитие идеи пионеров ракетной техники, которое состояло в том, что космический аппарат предлагался из двух модулей: командного модуля и лунной кабины – «лунного такси».
Космический корабль, состоящий из двух модулей, получил имя «Аполлон». С помощью двигателей третьей ступени ракеты-носителя и командного модуля он выводился на орбиту искусственного спутника Луны. Двое астронавтов должны перейти из командного модуля в лунную кабину, которая затем отделяется от командного модуля и садится на Луну. Третий астронавт остается в командном модуле на орбите ИСЛ. После завершения миссии на Луне лунная кабина с астронавтами взлетает, стыкуется с аппаратом, ожидающим на орбите, «лунное такси» отделяется и падает на Луну, а орбитальный модуль с тремя астронавтами возвращается на Землю.
Этот лунно-орбитальный вариант был более тщательно проработан и поддержан не участвовавшим ранее в спорах третьим научным центром НАСА – им. Ленгли.
Каждый из вариантов предлагал использование не менее двух носителей типа трехступенчатых «Сатурнов-5С» со стартовой массой в 2500 тонн для каждой лунной экспедиции.
Каждый «Сатурн-5С» оценили в 120 миллионов долларов. Это показалось дорого, и двухпусковые варианты не были поддержаны. Наиболее реальным оказался однопусковой лунно-орбитальный вариант, предложенный Джеком С. Хауболтом – инженером Центра им. Ленгли. Самым заманчивым в этом варианте было использование только одного носителя типа «Сатурн-5С» (позже просто «Сатурн-5»), при увеличении стартовой массы до 2900 тонн. Этот вариант позволял увеличить массу «Аполлона» на 5 тонн. Нереальный проект «Нова» был окончательно похоронен.
Пока шли споры, исследования и расчеты, Центр им. Дж. Маршалла начал в октябре 1961 года летные испытания «Сатурна-1».
Всего с октября 1961 года было запущено девять «Сатурнов-1», большинство с реальными водородными вторыми ступенями.
НАСА тем временем создало очередной комитет для изучения потребностей США в больших космических ракетах-носителях на ближайшее десятилетие.
Этот комитет подтвердил, что ранее предлагавшийся прямой вариант с использованием ракеты «Нова» нереален, и снова рекомендовал двухпусковой земной орбитальный вариант с прямой посадкой на Луну, использующий «Сатурн-5». Ожесточенные споры по альтернативам продолжались, несмотря на решение комитета.
Только 5 июля 1962 года НАСА принимает официальное решение: лунно-орбитальный однопусковой вариант объявляется единственно безопасным и экономичным для достижения Луны до 1970 года. Предварительные расчеты показали, что «Сатурн-5» может вывести 120 тонн на околоземную орбиту и доставить 45 тонн на орбиту Луны. Группа Хауболта торжествовала – их идеи овладевали умами чиновников НАСА. Начались совместные работы центров для соединения проектов «Сатурна-1» с предложениями по «Сатурну-5» и лунному орбитальному варианту. Вторую, водородную, ступень «Сатурна-1» сделали третьей ступенью «Сатурна-5».
Однако даже близкие к Кеннеди научные консультанты еще не были уверены в оптимальности предлагаемой схемы.
11 сентября 1962 года, за месяц до Карибского кризиса, президент Кеннеди посетил Центр им. Дж. Маршалла. Его сопровождал вице-президент Линдон Б. Джонсон, министр обороны Макнамара, британский министр обороны, ведущие ученые, научные советники и руководители НАСА. При стечении большого количества чиновников и журналистов Кеннеди выслушал объяснения фон Брауна о новой большой жидкостной ракете «Сатурн-5» и схеме полета к Луне. Фон Браун поддерживал однопусковой вариант, предложенный Центром им. Ленгли.
Однако окончательное решение об однопусковом варианте было принято только в 1963 году, когда огневые испытания двигателей и пуски «Сатурнов-1» дали уверенность в достаточном запасе энергетической надежности и были получены обнадеживающие данные по массовым характеристикам космического аппарата «Аполлон». К этому времени большой задел по экспериментальным работам, расчетам при выборе различных схем полетов, в конце концов, привел три центра – им. Ленгли, им. Дж. Маршалла в Хантсвилле и в Хьюстоне – к единой концепции.
Для пилотируемого полета к Луне окончательно была выбрана трехступенчатая ракета-носитель «Сатурн-5».
Стартовая масса всей системы – ракеты вместе с космическим кораблем «Аполлон» – достигала 2900 тонн. На первой ступени ракеты «Сатурн-5» были установлены пять двигателей F-1, каждый тягой 695 тс, работавших на жидком кислороде и керосине. Таким образом, суммарная тяга у Земли составляла почти 3500 тс. На второй ступени были установлены пять двигателей J-2, каждый из которых развивал в вакууме тягу 102-104 тс – суммарная тяга около 520 тс. Эти двигатели работали на жидком кислороде и водороде. Двигатель третьей ступени J-2 – многократного запуска, работавший, так же как и двигатель второй ступени, на водороде, развивал тягу 92-104 тс. Во время первого запуска третья ступень предназначалась для выведения «Аполлона» на орбиту ИСЗ. Масса полезного груза, выводимого на круговую орбиту ИСЗ высотой 185 километров и наклонением 28,5 градусов, составляла 139 тонн. Затем при втором запуске следовал разгон полезного груза до скорости, необходимой для полета к Луне по заданной траектории. Масса, разгоняемая к Луне, достигала 65 тонн. Таким образом, «Сатурн-5» разгонял к Луне почти такой же по массе полезный груз, который ранее предполагалось выводить ракетой «Нова».
Я рискую утомить читателей обилием цифр. Но без внимания к ним будет трудно представить, где конкретно и почему мы проигрывали американцам.
Надежность и безопасность были очень жестким требованием всех этапов американской лунной программы. Был принят принцип обеспечения надежности путем тщательной наземной отработки, с тем чтобы в полете производить лишь ту отработку, которую при современном уровне техники невозможно осуществить на Земле.
Высокой надежности удалось достичь благодаря созданию мощной экспериментальной базы для наземных испытаний каждой ступени ракеты и всех модулей лунного корабля. При наземных испытаниях значительно облегчаются измерения, повышается их точность и имеется возможность тщательного исследования после испытаний. Принцип максимальной наземной отработки был продиктован также очень высокими затратами на летные испытания. Американцы поставили задачу свести к минимуму отработочные летные испытания.
Наша экономия расходов на наземную отработку подтвердила старую истину о том, что скупой платит дважды. Американцы не скупились на наземную отработку и проводили ее в невиданных до того масштабах.
Были созданы многочисленные стенды для огневой отработки не только одиночных двигателей, но всех полноразмерных ступеней ракеты. Каждый серийный двигатель штатно проходил огневые испытания до полета по меньшей мере три раза: два раза до поставки и третий – в составе соответствующей ракетной ступени.
Таким образом, одноразовые по программе полета двигатели были фактически многоразовыми. Надо иметь в виду, что для получения надежности и у нас, и у американцев имелись две основные категории испытаний: те, которые проводятся на единичном прототипе изделия (или на малом числе образцов), чтобы продемонстрировать, насколько надежно конструкция будет выполнять свои функции во всех условиях полета, в том числе определить фактический ресурс изделия; и те испытания, которые проводятся на каждом летном образце, чтобы гарантировать, что они не имеют случайных производственных дефектов или ошибок в технологии серийного производства. Первая категория испытаний включает отработочные испытания на стадии конструирования. Это так называемые конструкторско-доводочные отработочные (по американской терминологии – квалификационные) испытания, проводимые на испытательных образцах. Здесь мы с американцами, испытывая одиночные двигатели, действовали более-менее идентично. По второй категории, относящейся к приемочным испытаниям двигателей, ступеней ракеты и ряда других изделий, мы в части методики смогли догнать американцев только спустя 20 лет при создании ракеты «Энергия».
