Lisaks kosmoselaevale Vostok uuriti Nõukogude Liidu erikonstrueerimisbüroos (EKB) 1960. aastate alguses ka edasisi kosmose uurimise võimalusi. Peakonstruktor Sergei Koroljov pani ette luua planeetidevaheline kosmoselaev koos selle juurde kuuluva kanderaketiga ning saavutaski vastava määruse väljaandmise. Selleks ajaks EKB tegeleski juba tähistust N-1 („носитель – первый“) kandva hiiglasliku kanderaketi loomisega. 1962. aasta juulis esitati selle projektdokumentatsioon Teaduste Akadeemia juures tegutsevale ekspertkomisjonile, mis leidis, et esikohale tuleb seada N-1 sõjaline kasutamine. Edasi vajus komisjoni soovitus aga üha enam tahaplaanile, sest liialt ahvatlev tundus perspektiiv lennata Kuule – ning sealt edasi Marsile ja Veenusele.
N-1 katsetused pidanuks algama 1966. aastal, kuid Kuule tahaks lennata kohe – et taas ameeriklasi edestada. Kuulendudeks planeeriti kasutada hästi sisse töötatud kuulsat „semjorkat“ – kanderaketti R-7 (8K71). Et aga otseseks Kuu-lennuks jäi selle võimsusest napiks, planeeriti laev kokku monteerida Maa orbiidil. Kõigepealt pidi startima kiirendusblokk 9K, sellega omakorda pidid põkkuma neli kütuse ja oksüdeerijaga laaditud tankurit 11K ning andma oma laadungi üle. Seejärel pidi Maalt startima kaheliikmelise meeskonnaga kosmoselaev 7K ning omakorda põkkuma juba tangitud kiirendusblokiga. Kiirendusbloki 9K mootorid pidid kogu kompleksi kiirendama teise kosmilise kiiruseni ning suunama Kuu poole. Peale oma ülesande täitmist 9K eralduks, 7K lendaks aga ümber Kuu ning pöörduks tagasi Maale.
Projekt sai nimeks Sojuz ning vaatamata kogu oma keerukusele ei sisaldanud peamist – inimese Kuu pinnale toimetamist. Kogu programmi vaadeldi kui Kuu hõlvamise vaheetappi.
Programmi peamiseks ja otsustavaks etapiks sai kaheliikmelise meeskonnaga kosmoselaeva viimine Kuu orbiidile, ühe kosmonaudi laskumine spetsiaalses laevas Kuu pinnale, sealt uuesti startimine, põhilaevaga põkkumine ning Maale naasmine. Kuid kõike seda sai teha vaid kanderaketi N-1 abil, mis viiks maalähedasele orbiidile 43 m pikkuse, 6 m läbimõõduga ja 90 t massiga bloki L3.
Kosmoselaev koosnes raketiblokkidest G, D ja E, Kuu-orbitaallaevast (11F93) ning Kuu-laevast (11F94). Lisaks kuulusid laeva koosseisu peale Maa atmosfääri tihedate kihtide läbimist äraheidetav voolundi ning avarii-päästesüsteem.
Kuu-orbitaallaev, mis oli tegelikult modifitseeritud kosmoselaev 7K, koosnes laskumisaparaadist, põkkumissõlme ja manööverdusmootoritega olmesektsioonist ning rakettmootoreid ja elektriseadmed sisaldavast tehnilisest sektsioonist. Olmesektsiooni kasutati ka lüüsikambrina, et üks kosmonautidest saaks minna läbi avakosmose Kuu-laeva. Peale seda laskus Kuu-laev bloki D abil pidurdades kuni 3 km-ni Kuu pinnast. Seejärel võttis töö üle blokk E, mis koostöös maandumisradariga kindlustas ettenähtud kohas sujuva laskumise Kuu pinnale.
Ka Maale naasmisel olid omad iseärasused. Ohutuks maandumiseks pidi Maa atmosfääri sisenemine toimuma väga täpse nurga all ning selle saavutamiseks maanduti kahefaasiliselt. Esimeses etapis suundus kosmoselaev Maa atmosfääri peaaegu täisnurga all, põrkas sealt tagasi ja pidurdus nii kuni esimese kosmilise kiiruseni. Seejärel siseneti Maa atmosfääri juba täpses kohas ja täpse nurga all. Sisenemisnurga täpsusest annab aimu võrdlus, et korvpalli suuruse Maa korral oleks sisenemiskoridori laius võrdne paberilehe paksusega. Kogu Kuu-missiooni pikkuseks planeeriti 11-12 päeva.
Kanderaketist N-1 ja kuulaevast L3 koosnev kompleks sai loogilise tähistuse N1-L3 (11A52) ning selle esimene lend planeeriti aastatesse 1967-1968. Kuid raketi konstrueerimine takerdus Koroljovi ja mootorite peakonstruktori Gluško vaheliste erimeelsuste tõttu – „tulejumal“ ei tahtnud luua N-1 jaoks petrooleumil ja vedelhapnikul töötavaid rakettmootoreid vaid eelistas toksilisi kütusekomponente kasutavaid jõuallikaid.
Vana kava juurde tagasi
Valitsus püüdis 1964. aasta 3. augusti määrusega kuuprogrammi kiirendada ja kuna kanderaketi ja kosmoselaeva väljatöötamine venis, otsustati tagasi pöörduda Tšelomei konstrueerimisbüroo ümber Kuu lendamise kava juurde. Programm UR-500K-LK oli sisuliselt seesama Sojuz, kuid võimsam kanderakett võimaldas loobuda rohkearvulistest põkkumistest Maa orbiidil.
Nime Proton all tuntud kanderakett UR-500K (8K82K) saadi kaheastmelise ballistilise raketi UR-500 (sõjaväelased lootsid selle abil 100-150 MT termotuumalaenguid kohale toimetada) modifitseerimise tulemusena. Tšelomei juhitav erikonstrueerimisbüroo nr 52 sai ülesandeks luua raketiga sobiv mehitatud kosmoselaev, mis oleks võimeline ümber Kuu lendama. Töödega alustatigi, kuid büroo oli hõivatud kanderaketi loomisega ning ei suutnud kosmoselaeva loomisele vajalikul määral pühenduda.
Samal ajal kulges Koroljovi büroos töö Kuu orbitaallaevaga rahuldavas tempos ning käidi välja idee ühendada kanderaketilt N-1 pärit kosmoselaev uue kandraketiga UR-500K. Tõsi, kosmoselaev oli kergendatud variandis – ilma olmesektsioonita. Ka sooviti lisada kompleksist N1-L3 kiirendusblokk D.
26. augustil 1965 toimunud kõrgetasemelisel nõupidamisel tõdeti, et kuuprogramm kulgeb ebarahuldavalt ning tekib oht, et Nõukogude Liit võib kosmose hõlvamises oma liidripositsiooni kaotada. Koroljovi ettepanek arvati suutvat olukorda parandada ning kiideti täies ulatuses heaks. Tühistati varasem Sojuzi-projekt ning lõpetati kosmoselaevade 9K ja 11K väljatöötamine. Lisaks tehti põhjalikult ümber mehitatud kosmoselaev 7K.
Tegelikult loodi selle baasil kolm erinevat kosmoseaparaati. Esiteks kompleksi N1-L3 koosseisus Kuule suunduv esialgse Kuu orbitaallaeva sarnane kosmoseaparaat, teiseks kompleksi UR-500K-7K-L1 koosseisus ümber Kuu lendav kosmoselaev ning kolmandaks modifitseeritud kanderaketi R-7 abil Maa orbiidile viidav ja seal eelmise kahe kosmoseaparaadi pardasüsteemide katsetamiseks loodud laev. Samuti loodeti seda kasutada maalähedases kosmoses toimuvatel lendudel.
Teine kosmoselaev sai tähiseks 7K-L1 (11F91), kolmas 7K-OK (11F615). Koroljovi ettepanekul säilitati sellel kosmoselaeval avalikes allikates nimi Sojuz ning tema abil loodeti välja töötada kosmoselaevade lähenemise ja põkkumise tehnika.
Kosmoselaev 7K-L1 sai kiires tempos reaalsuseks. 13. novembril 1965 kinnitati kosmoselaeva, kiirendusblokkide ja kanderakettide UR-500K tootmisgraafik – kokku planeeriti valmistada 15 komplekti. Koroljov ja Tšelomei pidid koostöös 2 nädala jooksul välja töötama ümber Kuu lendamise täpse kava, kahe konstrueerimisbüroo ballistikute koostöös õnnestus leida kosmoseaparaatide ühendamiseks variant, mis suurendas kasulikku koormust mitmesaja kilogrammi võrra. Selle kohaselt kanderaketi kolmas aste ei tõusnud orbiidile, vaid langes Vaiksesse ookeani, lõplik orbiidile kiirendamine toimus bloki D esimese käivitamisega, Kuu suunas startimiseks lülitati kiirendusblokk teistkordselt sisse.
Esimesed stardid
Kosmoseaparaadi 7K-L1 esimest eksemplari kasutati seadmete maapealseteks stendikatsetusteks. Teine, lihtsustatud konstruktsiooniga eksemplar startis Kuu suunas 10. märtsil 1967. Kanderaketi kõik kolm astet töötasid suurepäraselt, samuti käivitus kiirendusblokk D, nagu ette nähtud, kaks korda. Infoagentuur TASS teatas Maa tehiskaaslase Kosmos-146 stardist.
7K-L1 kolmas eksemplar startis 8. aprillil 1967. Alguses läks kõik hästi, kuid järgmisel päeval tekkis esimene tõrge ja kosmoseaparaat ei startinud Kuu suunas. Põhjus osutus piinlikult lihtsaks – laeva pardal asuv automaatsüsteem pidi tagama bloki D eraldumise peale teist käivitamist, kuid tähelepanematuse tõttu ei olnud seade sisse lülitatud ning blokk eraldus Maa orbiidil juba peale esimest käivitust. Selle tulemusena tekkis Maa tehiskaaslane Kosmos-154.
28. septembril startinud 7K-L1 nr 4 pidi lendama Kuu poole ning pildistama nii Kuud kui Maad. Ebaõnnestunud stardi põhjustas tõrkunud kanderaketi I aste, korralikult töötanud avarii-päästesüsteem tõi laskumiskapsli turvaliselt Maale, kuid kapsel maandus kanderaketi plahvatamisel moodustunud ülimürgise aurupilve keskele. Kuigi maandumiskapsel seisis vigastamatuna, polnud talle võimalik läheneda. Mis oleks aga juhtunud siis, kui kapslis asunuks kosmonaudid? See küsimus osutus nii tõsiseks, et mehitatud lendude korral otsustati kosmonaudid kanderaketiga Sojuz orbiidile toimetada ning alles seal pidid nad Kuu-laeva ümber istuma.
22. novembril toimunud viiendal stardil vedas alt kanderaketi II aste. Üks neljast mootorist ei arendanud vajalikku võimust, rakett hakkas küljele kalduma ning kaitsesüsteem lülitas mootori välja. Jällegi pidi tegutsema avarii-päästesüsteem, mis seekord toimis tõrgetega. Pehme maandumise pidurdusmootorid lülitusid 4,5 km kõrgusel ning maandumine ei olnud kõige pehmem, kanderakett ise kukkus umbes 300 km kaugusele stardipaigast.
Laiale avalikkusele teavitatud Zond-4 nime all startis 2. märtsil 1968 7K-L1 nr 6. Sel korral ümber Kuu lendu veel ei planeeritud, kosmoselaev pidi liikuma väljavenitatud elliptilisel trajektooril, mille maksimaalne kaugus Maast oleks üle 300 000 km, Maale tagasipöördumine pidi toimuma juhitaval trajektooril. 7 ööpäeva jooksul töötasid kosmoseaparaadi pardasüsteemid üldjoontes normaalselt. Tõrkus vaid tähtede järgi töötav orientatsioonisüsteem, mis ei suutnud stardil määrdunud objektiivi tõttu kosmoseaparaati vajalikku asendisse pöörata ning laskumine toimus mittejuhitaval trajektooril. Kuna oli oht, et laskumiskapsel võib maanduda väljapoole Nõukogude Liidu territooriumi, siis vastav süsteem likvideeris kosmoseaparaadi.
Sellest süsteemist tuleb rääkida eraldi. Nimelt oli Nõukogude Liidu kosmoseaparaatide startidest lisaks teadusasutustele huvitatud kaitseministeerium ning see jättis oma jälje ka seadmete konstruktsiooni. Nii tehti nt kosmoselaev Vostok luuresatelliidi Zenit-2 baasil. Kui oli arutlusel Gagarini kosmosesse viinud Vostoki seadmetega komplekteerimine, otsustati enesehävitussüsteemi sellesse laeva mitte panna. Vastu oli vaid üks inimene – KGB esimehe esimene asetäitja P. Ivašutin, sest salastatuse säilitamine oli nende ametkonna esmaülesanne. Seega polnud midagi erilist, et enesehävitamissüsteemidega olid varustatud kõik mehitamata 7K-L1 ja 7K-OK kosmoselaevad.
23. aprillil 1968 startinud kosmoselaev 7K-L1 nr 7 ei jõudnud automaatjuhtimissüsteemi rikke tõttu Maa orbiidlile. Avariipäästesüsteem toimis seekord veatult ning maandumiskapsel jõudis tervelt maapinnale.
Kosmoselaeva kaheksandaks stardiks ettevalmistamisel 14. juulil 1968 toimunud raskes avariis hukkus üks inimene ning teine sai vigastada. Stardistendis lõhkes rõhuregulaatori tõrke tõttu kiirendusbloki oksüdeerijapaak ning edasi võtsid sündmused dramaatilise pöörde. Plahvatuses viga saanud kosmoselaeva ninavoolundi vajus mitme meetri võrra allapoole ning jäi teenindusfermi külge kinni. Viis tonni petrooleumi sisaldava kiirendusbloki kütusepaak rebenes lahti ning vajus kanderaketi Proton kolmandale astmele, selle rõhu all olevates paakides asus aga 1,5 tonni väga toksilisi isesüttivaid kütusekomponenente. Lisaks paiknes ninavoolundi peal mitusada kilogrammi püssirohtu sisaldav avarii-päästesüsteem, lisaks orientatsioonimootorite juures 30 kg kontsentreeritud vesinikülihapendit. Ka leidus kosmoselaevas ning raketis kokku üle 150 püropadruni ning lõpuks oli seal ka enesehävitussüsteemi 25 kg lõhkelaeng.
Vaid õnneliku juhuse tõttu ei purunenud ükski kütusetoru, ei süttinud ükski pürolaeng, ei toimunud plahvatust, mis oleks vältimatult hukutanud 150 sel hetkel raketi juures töötanud kõrge kvalifikatsiooniga spetsialisti.
Nagu sellistel puhkudel ikka, moodustati riiklik komisjon, mis seadis ülesandeks päästa nii rakett kui stardikompleks. Selleks tuli eelnevalt tükkideks lõigata ninavoolundi, eemaldada avarii-päästesüsteem ja püropadrunid, lülitada välja elektritoide, tühjendada kütusepaagid. Väljakannatamatus kuumuses (varjus üle +45 oC) töötanud töötajad saatsid 2 nädala jooksul korda tõelisi imesid. Teenindusfermi külge takerdunud kosmoselaeva mahavõtmiseks ehitatud sillataolise konstruktsiooni külge kinnitatud plokkidel jooksid kosmoselaeva külge kinnitatud trossid. Toetades ja samaaegselt külgsuunas tõmmates õnnestus rakett langetada põhifermi kõrval asuvale treilerile.
Kogu ettevõtmine meenutas lahinguoperatsiooni. Kuna säilis plahvatusoht, juhiti vintse stardistendi lähedale kiiruga rajatud kaevikutest. Kõige kriitlisematel hetkedel asus fermidel vaid neli inimest, kes pidid jälgima, et rakett millegi taha ei takerduks ning vajadusel ta sealt lahti päästma. Lõppkokkuvõttes õnnestus päästeoperatsioon edukalt lõpule viia.
Kilpkonnadega ümber Kuu
15. septembril 1968 startis Zond-5 nime all kosmoselaev 7K-L1 nr 9 ning võttis suuna Kuule. Laevas asusid reisijatena kilpkonnad ning 18. septembril mööduti Kuust 1960 km kauguselt. Reisi ajal pildistati Maad 18 000 km kauguselt. 21. septembril suundus kosmoseaparaadi laskumiskapsel teise kosmilise kiirusega Maa atmosfääri ning ballistilisel trajektooril laskudes maandus India ookeani.
Kuigi TASS teatas maandumisest ettenähtud punktis, pidi selleks olema siiski Kasahstani territoorium. India ookeani sattus kosmoseaparaat navigatsioonisüsteemi tõrgete ja jällegi tähtede järgi orienteerumissüsteemi stardil saastunud objektiivi tõttu. Kõik see seadis ohtu laskumisaparaadi maale tagasijõudmise. Kuid juhtimissüsteemi spetsialistid, liigutades orienteerumissüsteemi mootorite abil 20 tunni vältel kosmoselaeva, suutsid ta lõpuks viia asendisse, mis tagas maandumise reservtrajektooril. Kosmoseaparaadi lokaliseerimiseks ja ookeanist väljapüüdmiseks vajalike seadmetega varustatud Nõukogude mereväealused asusid sellel trassil reas ning ühel neist õnnestuski Zond-5 oma pardale püüda. Laev toimetas kosmoseaparaadi Indiasse, sealt viidi ta edasi Moskvasse.
Kolm kuud hiljem – 21.-27. detsembril 1968 lendas ümber Kuu ameeriklaste kosmoselaev Apollo 8. Erinevus seisnes selles, et kuigi 7K-L1 oli kahekohaline kosmoselaev, lendas ta mehitamatult, kuid Apollo 8 pardal olid kolm astronauti ning Frank Borman, Jim Lovell ja William Anders tegid kokku 10 tiiru ümber Kuu. Kuigi esialgse plaani kohaselt pidi Apollo 8 lend olema vaid kosmoseaparaadi katsetamine Maa orbiidil, sundis Zond-5 lend ameeriklasi riskile minema ja suunduma Kuule. Peale esimese Sputniku ja Gagarini lendu olid ameeriklased lausa sunnitud seekord Nõukogude Liitu edestama.
10. novembril 1968 startis 7K-L1 nr 12, TASS teatas kosmoseaparaadi Zond-6 ülessaatmisest. Lennu programm sai üldjoontes täidetud – kosmoseaparaat lendas ümber Kuu ning pildistas tema pinda 8000 ja 2600 km kauguselt ning laskus 17. novembril mööda ettenähtud trajektoori Nõukogude Liidu territooriumile. Kuid kuuendal lennupäeval fikseeriti kosmoseaparaadis õhurõhu langus ning liialt varajase, 5300 m kõrgusel toimunud langevarjusüsteemi äraheitmise tõttu kukkus maandumisaparaat Bajkongõri kosmodroomile Kasahstanis, vaid 16 km kaugusele oma stardipositsioonist.
Osaliselt purunenud laskumiskapslis asusid Kuu läheduses tehtud ülesvõtetega fotomaterjalid, avarii põhjuste selgitamiseks vajalikud registraatorid ning muu hinnaline dokumentatsioon. Kuid seal asus ka enesehävitussüsteem oma 10 kg trotüülilaenguga, ning selle seisukord oli peale tugevat lööki vastu maad teadmata. Osaliselt purunenud laskumisaparaat oli ligi meetri sügavuselt maapinda tunginud. Konstrueerimisbüroo spetsialistid eemaldasid ettevaatlikult kosmoseaparaadi välise korpuse, kuni jõudsid lõhkelaenguni ning tegid selle kahjutuks. Tänu päästetud fotomaterjalile jõudsid meieni esimesed Kuust tehtud värvipildid.
20. jaanuaril 1969 startinud kosmoselaev 7K-L1 nr 13 ei jõudnud lennu 501. sekundil toimunud kanderaketi II astme tõrke tõttu orbiidile. Avarii-pääste- ja maandumissüsteemid toimisid ning aparaat maandus langevarjude abil Mongoolias.
8. augustil 1969 toimunud start nr 11 oli viimane mehitamata ümber Kuu toimunud lend. Tähistuse Zond-7 all toimunud lend täitis oma ülesande – 11. augustil lennati 1200 km kauguselt ümber Kuu ning 14. augustil maandus laskumisaparaat Kustanai linnast lõunas. Esmakordselt selle programmi raames toimus juhitav, pehme maandumine ettenähtud piirkonnas, sihtmärgist kalduti kõrvale vaid 50 km võrra.
Programmi lõpp
Selleks ajaks oli 15-st toodetud kosmoselaevast alles 3. Neist üks planeeriti saata 1970. aasta aprillis mehitatult tiirule ümber Kuu, kuid et selleks ajaks olid ameeriklased mitte ainult ümber Kuu lennanud, vaid seal ka maandunud, kaotas lend poliitilise mõtte. Kuna kompleksi UR-500K 7K-L1 võimalused piirdusid vaid ümber Kuu lendamisega, leidis Nõukogude Liidu valitsus 1969. aasta lõpus, et piloteeritavad lennud ümber Kuu on perspektiivitud. Lisaks oli kosmoseaparaat oma põhilise ülesande – kuulennu täitnud.
Seega asus Nõukogude Liit ennaktempos arendama kompleksi N1-L3. See kosmoseaparaat oleks võimaldanud (kuigi hilinemisega) saata Nõukogude inimese Kuu pinnale. Nüüd juba uue kompleksi arendamiseks startis 20. oktoobril 1970 Zond-8 nime all 7K-L1 nr 14. Kogu programm, millesse kuulus ka üle põhjapooluse kulgenud ballistiline laskumine India ookeani, kulges plaanipäraselt.
See oligi kompleksi UR-500K 7K-L1 viimane lend. Mehitatud lennuks varustatud kosmoselaev nr 15 jäi kasutamata ning selleks lennuks ettevalmistunud kosmonaudid orienteerusid ümber uuele programmile N1-L3.
