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El Complejo Espacial Lunar N1-L3: aspectos generales
Redacción
El Complejo Espacial Lunar N1-L3l complejo espacial lunar N1-L3 tuvo su origen en el decreto gubernamental 715-296, promulgado el 23 de Junio de 1960 por el gobierno de la ex-Unión Soviética, para el desarrollo de "Poderosos Vehículos Lanzadores, Satélites, Naves, y Exploración Espacial en el período 1960-1967".

El programa lunar ruso estaba constituido por el vector pesado N1 LV, y el sistema para misiones lunares L3. Una típica misión a la Luna estaría compuesta por dos cosmonautas, descendiendo sólo uno en la misma. El 3 de Agosto de 1964, un decreto del gobierno soviético manifestaba por primera vez que el objetivo principal del vector pesado N1 LV era la exploración lunar, incluyendo obviamente misiones tripuladas hacia la misma. Los estudios que condujeron al diseño del N1 LV comenzaron en 1956, y los primeros trabajos fueron realizados a partir de 1960.

El desarrollo del complejo N1-L3 estuvo a cargo de Serguei P. Korolev, Jefe del Bureau de Diseño especial OKB-1. Con posterioridad a su fallecimiento en 1966, el trabajo continuó siendo realizado bajo la dirección de su sucesor, Vladimir P. Mishin. Los planes originales a comienzos de los ´60, contemplaban un primer alunizaje a ser realizado entre los años 1967 y 1968. Sin embargo, estas "predicciones" consideraban el desarrollo exitoso fundamentalmente del vector pesado N1 LV.
El VECTOR N1 LV
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
Este vector era un diseño de conjuntos o bloques conectados entre sí, con tanques de combustible esféricos unitarios y suspendidos, y unidades de propulsión con motores múltiples en las etapas I, II y III. Estas etapas también suelen ser referidas como Bloque A, Bloque B y Bloque V respectivamente.

Para los vuelos hacia la Luna, se montaría sobre la etapa III -o Bloque V- el sistema para misiones lunares L3. Este sistema, estaba compuesto por una serie de elementos a saber:
Bloques de cohetes (propulsores) G y D.
El módulo de descenso lunar LK.
El módulo orbitador lunar LOK.
Una cubierta protectora de todo el conjunto que evitaba daños aerodinámicos y térmicos, y que era descartada a cierta velocidad.
Un sistema de rescate de emergencia llamado PU, para el módulo orbitador, similar al que existe en los vectores tipo Soyuz.
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
Bloque G Bloque D Módulo de descenso lunar LK Módulo orbitador lunar LOK Sistema de rescate de emergencia PU
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
El Sistema para misiones lunares L3
El primer elemento desde la izquierda, es el Bloque G.
[Muévase sobre el gráfico, para resaltar en color los distintos elementos del conjunto]
La propulsión
Para el diseño del N1 LV se pensaba inicialmente en una carga de 75 t. Igualmente, el nuevo vector estaría equipado en todas sus etapas con motores a combustible líquido que consumirían oxígeno y kerosene. La masa total del vector N1 LV, al momento del despegue, era de unas 2820 t. El empuje inicial, era de unas 4615 tf. Eventualmente, el uso de hidrógeno líquido en los sistemas propulsores en principio permitía aumentar la carga útil a unas 90-100 t, con la misma masa de lanzamiento.

Teniendo en cuenta diversos factores previos, se decidió utilizar motores con un empuje de 150 tf. Las razones técnicas para la elección de tales motores fueron:
Esos motores se podían fabricar y probar con las instalaciones existentes en aquel momento. El desarrollo de un motor de 600-900 tf de empuje hubiera requerido de nuevas instalaciones, incrementando por lo tanto los costos de desarrollo del cohete.
Un motor de 150 tf estaba bien "adaptado" para usarlo en la II etapa del N1 LV. La versión de este motor para la II etapa, tenía una tobera de escape más ancha, lo que permitía usar un menor número de unidades.
Ya que tanto la confiabilidad como la funcionalidad de los motores descansan en numerosas pruebas de banco, con costos económicos iguales se podía lograr una mayor confiabilidad con el uso de tecnología probada de motores de bajo empuje.
Con una unidad de propulsión de motores múltiples era posible la redundancia (se podía reemplazar un motor defectuoso), lo que aumentaba la probabilidad de éxito del programa.
Por esto, las etapas I, II y III del N1 LV estaban equipadas con el sistema de control de motor Kord, que detenía el motor en caso de baja de rendimiento. El empuje del N1 LV se ajustaba a cierto nivel, que permitiera la continuidad de la misión aún con un motor apagado en la primer fase de la trayectoria. En las fases finales del vuelo de la etapa I, más motores se podían desactivar sin poner en peligro el programa de la misión.

La etapa I (Bloque A) estaba equipada con motores Kuznetsov NK-15 (inicialmente 24, y más tarde 30), con un empuje por unidad de ~150 tf, e instalados en una disposición de anillo.

La etapa II (Bloque B) incorporaba ocho de los mismos motores, pero con toberas de escape optimizadas para trabajar a altas altitudes. Esta versión del NK-15 era denominada NK-15B, y brindaba un empuje de ~170 tf.

La etapa III (Bloque V), estaba equipada con cuatro motores Kuznetsov NK-19, de ~40 tf de empuje, con toberas de escape adaptadas al funcionamiento en altas cotas.

El Bloque G también estaba equipado con este tipo de motor NK-19.

Por último, el Bloque D incorporaba un propulsor del tipo RD-58M, de 8.7 tf de empuje.
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
Etapa I o Bloque A del N1 LV
Tenía un diámetro máximo de 16.8 m, o bien 22.3 m considerando los estabilizadores laterales. La altura de este bloque era de 30.1 m.
(Imagen: RSC Energia)
 
El Complejo Espacial Lunar N1-L3 El Complejo Espacial Lunar N1-L3
Etapa II o Bloque B
Tenía un diámetro
máximo de 10.3 m,
y una altura de 20.5 m.
(Imagen: RSC Energia)
Etapa III o Bloque V
Tenía un diámetro máximo
de 7.6 m,
y una altura considerando los elementos de unión de 11.5 m.
(Imagen: RSC Energia)
Un concepto modular
A partir del vector N1 LV, era posible diseñar toda una familia estandarizada de vectores, entre ellos:
El N11 ensamblado con las etapas II, III, y IV del N1 LV. Se estimaba un peso para este vector de 700 t, con la capacidad de colocar en una órbita terrestre a 300 km de altura una carga útil de
20 t.
El N111 ensamblado con las etapas III y IV del N1 LV, y la segunda etapa estaría basada en el vector R-9A. Se estimaba un peso de 200 t al momento del despegue, con una capacidad de colocar una carga de 5 t en órbita terrestre de 300 km de altitud.
Las pruebas de lanzamiento
  El Complejo Espacial Lunar N1-L3El primer lanzamiento del complejo N1-L3 tuvo lugar el 21 de Febrero de 1969, y terminó en una explosión a los 68.7s de vuelo. Debido a vibraciones de alta frecuencia en el generador de gas del motor #2 de la etapa I, se destruyó un conector reductor de presión ubicado detrás de una turbina. Como consecuencia de ello, se inició un incendio en el compartimiento de motores debido al combustible desparramado, lo que excedió las capacidades del sistema de control de motores, desembocando en una explosión final.

A pesar de este accidente, el lanzamiento probó la validez del perfil dinámico, la dinámica del lanzamiento, los procesos de control del N1 LV, y permitió obtener valiosos datos de las cargas sobre el N1 LV, resistencia, cargas acústicas sobre el vector y otros sistemas de lanzamiento, y además se obtuvieron datos sobre las condiciones de operación en un ambiente real.
El segundo lanzamiento del N1-L3 se llevó a cabo el 3 de Julio de 1969, y nuevamente resultó en una explosión final, debido a un fallo en la operación del motor #8 de la etapa I. La verdadera causa del accidente nunca fue descubierta, pero lo más probable es que se debiera a la rotura de una bomba del oxidante de un motor, en el momento de la transición a máxima potencia.

Se requirieron dos años para analizar los resultados de la prueba, realizar estudios y numerosos experimentos. Como resultado de este esfuerzo, se tomaron medidas para tratar de evitar todas las posibles causas de accidentes, mejorar la confiabilidad de los motores, sistemas y equipos, tanto como asegurar una mejor seguridad en el pad de lanzamiento.
El tercer lanzamiento del N1-L3 tuvo lugar el 27 de Junio de 1971. Y nuevamente todo terminó en desastre... Debido a las turbulencias generadas por los gases de escape de los treinta motores de la primer etapa, el vector comenzó a girar sobre su eje longitudinal de manera no prevista. A 48 segundos del lanzamiento, la segunda etapa comenzó a desintegrarse debido al torque generado por el giro del vector. Finalmente, el vector explotó a los 51 segundos del despegue. Los restos del N1-L3 vinieron a caer a unos 20 km de distancia del punto de despegue, provocando un cráter de 30 m de diámetro. Las causas del giro no controlado del N1-L3, se atribuyen a fenómenos aerodinámicos no previamente estudiados.
El cuarto y último lanzamiento del N1-L3 se realizó el 23 de Noviembre de 1972. El vector empleado en esta ocasión era una versión muy modificada, con mayor capacidad de carga, equipado con más de 13.000 sensores para analizar el comportamiento integral del ingenio, y dotado con nuevos sistemas electrónicos de control, telemétricos y radiales.

El vector había volado por el lapso de 106.93s sin novedad, pero 7s antes de la separación de las etapas I y II, la ruptura realmente instantánea de la bomba del oxidante de un motor, provocó un incendio y la destrucción del vector.
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
El Complejo Espacial Lunar N1-L3 siendo transportado a la plataforma de lanzamiento, en el cosmódromo de Baikonur.
(Imagen: RSC Energia)
El próximo lanzamiento estaba programado para la segunda mitad de 1974. Hacia el mes de Mayo de ese año, y teniendo en cuenta la experiencia ganada en los anteriores lanzamientos, todas las actividades estaban dirigidas a garantizar la supervivencia del vector. También había comenzado la construcción de motores modificados reutilizables. Sin embargo ahora Valentin P. Glushko era el nuevo Director General del Bureau RSC Energia, y por medio de una orden suya, y con el silencioso consentimiento del gobierno, cesaron todas las actividades del programa N1-L3.

Hacia Enero de 1973, el costo del programa N1-L3 era de unos 3.600 millones de rublos (al cambio de esos años), de los cuales 2.400 millones correspondían al desarrollo del vector N1 LV.

El programa fue formalmente cancelado por medio de un decreto gubernamental en Febrero de 1976, para dar paso al desarrollo del nuevo sistema Energia-Buran, y todos los costos fueron computados como pérdidas. Luego, tanto los cohetes ensamblados -dos completos y cuatro parcialmente ensamblados-, como todos los equipos asociados al programa N1-L3 fueron destruidos (¿?). En total, se estima que fueron gastados unos 6.000 millones de rublos, al cambio de aquella época.
"...aunque toda la experiencia ganada durante el diseño del poderoso vector N1 LV fue ampliamente aprovechada durante el desarrollo del vector pesado Energia LV, y quizás también lo sea en futuros proyectos, resulta difícil no admitir que la cancelación del trabajo sobre el N1 fue un gran error. Con posterioridad, el desarrollo del Energia LV, con una capacidad de carga similar al N1 LV, demandó adicionalmente más de trece años y 14.500 millones
de rublos."

(Korolev RSC Energia)
  El Complejo Espacial Lunar N1-L3
EL MÓDULO DE DESCENSO LUNAR LK
El Complejo Espacial Lunar N1-L3Este módulo LK ("Lunniy korabl" - nave lunar en ruso) estaba compuesto por una cabina presurizada de aproximadamente cuatro metros cúbicos de volumen, que podía acomodar a un cosmonauta, un compartimiento con los motores para el control de actitud y un mecanismo de acople pasivo, un compartimiento de instrumentos, un módulo de descenso lunar, y una etapa o Bloque E, con sistemas propulsores. Se estima un peso para el LK de unos 5500 kg, y una altura cercana a los 5 m. Su desarrollo estuvo a cargo del bureau de diseño ucraniano OKB-586, encabezado por el diseñador Yangel.

Algunas de sus principales características eran:
Tenía sólo un motor principal sobre su eje longitudinal, más un motor de reserva con dos toberas. La unidad de propulsión era llamada "unidad Ye", y pesaba aproximadamente 2250 kg. Esta unidad era alimentada con N2O4 (tetróxido de nitrógeno) y UDMH (siglas en inglés de "unsymmetrical dimethyl hydrazine"). El N2O4 era almacenado en un tanque toroidal que rodeaba las unidades de motores. El combustible cargado en el LK, le permitía un tiempo de vuelo de un minuto, dejando reservas para el vuelo de ascenso desde la superficie lunar.
Por primera vez en el programa espacial ruso, el sistema de control estaba basado en una computadora de abordo. Esta computadora tenía triple redundancia, podía realizar más de 20000 operaciones por segundo, y era alimentada con datos provenientes de una plataforma giro-estabilizada en los tres ejes, un radar de alunizaje, y una mira para la alineación. El cosmonauta usaría la mira para señalar el punto de alunizaje, y luego ingresaría las coordenadas respectivas a la computadora. Los comandos de ésta, se comprobarían con diversos sensores estelares.
Dos motores de 40 kgf de empuje cada uno le daban el control de guiñada; dos más para el control de cabeceo; y cuatro motores de 10 kgf de empuje cada uno le daban el control de rolido. Para garantizar redundancia, todo este sistema estaba completamente duplicado.
La atmósfera de la cabina era una mezcla de oxígeno/nitrógeno a 560 mm/Hg, con ligeramente menos nitrógeno que en la mezcla normalmente usada en las naves rusas.
Para el suministro de energía eléctrica, el LK estaba equipado con cinco baterías químicas. Dos estaban situadas en la porción de ascenso de la nave.
Para asegurar un firme contacto con la superficie lunar, el LK disponía de cuatro pequeños motores de combustible sólido que eran activados en el momento del contacto. Estos motores tenían sus toberas apuntando hacia arriba.
El sistema de alunizaje era capaz de posarse con velocidades laterales de 1 m/s, sobre suelo duro y con una pendiente de 20°.
Se podía modificar el Centro de Gravedad (Cg), redistribuyendo el agua en los tanques del sistema refrigerante.
El LK usaba el mismo sistema propulsor principal, para la etapa final del descenso y el ascenso. Para el despegue desde la superficie lunar, tanto el sistema principal de propulsión como el de reserva eran activados. Si ambos sistemas operaban correctamente, se desconectaba el de reserva.
Tenía una compuerta oval con las dimensiones adecuadas para permitir el ingreso/egreso del cosmonauta equipado con un traje espacial específicamente diseñado llamado Krechet.
El LK transportaba en su parte superior, la unidad pasiva del sistema de acople Kontakt. Este sistema de acople era extremadamente simple y tolerante a los errores de alineación. La unidad que iba en el LK consistía de 108 hexágonos, de seis centímetros de diámetro cada uno, y formaban un arreglo que recordaba a un panal de abejas. En una misión típica se debería haber usado este sistema después que el LK abandonara la superficie lunar y en su acople con el módulo orbital LOK, para permitir que el cosmonauta del LK realizara una caminata espacial para retornar al LOK. Precisamente el LOK transportaba en uno de sus extremos la unidad activa del sistema Kontakt, llamada Aktiv.
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
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El Complejo Espacial Lunar N1-L3
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(Imagen: RSC Energia)
 
1. Módulo de descenso lunar
2. Etapa o Bloque E
3. Cabina presurizada
4. Equipos de soporte de vida
5. Ventana de observación del alunizaje
6. Motores del control de actitud
7. Radiador del sistema de control térmico
8. Mecanismo de acople
9. Sensor de objetivo
10. Sensores de alineación
11. Compartimiento de instrumentación
12. Cámara de TV
13. Antenas Omni-direccionales
14. Fuentes de energía
15. Pata de apoyo con amortiguador (4)
16. Puntal con amortiguador
17. Radar de alunizaje
18. Compartimiento de instrumentación
19. Antenas de baja ganancia
20. Antenas del sistema de aproximación
21. Antenas de TV
22. Motor de combustible sólido
23. Motor principal
24. Reflector
25. Motor de reserva
EL MÓDULO ORBITADOR LUNAR LOK
El LOK era un diseño derivado de las conocidas cápsulas Soyuz y, al igual que éstas, en realidad era un conjunto de tres componentes o módulos: habitable, de descenso (terrestre), y de servicio. El LOK era la contraparte del estadounidense CSM (Command-Service Module) del programa Apollo. Se estima un peso total de 9850 kg, y una longitud de unos 10 m.

Algunas de sus principales características eran:
El LOK estaba diseñado para acomodar a dos cosmonautas, y la electrónica general era más compleja que en la Soyuz original.
El módulo habitable estaba equipado con la parte activa del sistema de acople Kontakt, denominado Aktiv, como se mencionó anteriormente. Tenía una "cúpula" para permitir un acople manual visual con el módulo LK. El módulo habitable también servía como esclusa de aire para salir al espacio (para dirigirse al módulo LK).
Por primera vez en el programa espacial ruso, se emplearon células de combustible Oxígeno/Hidrógeno para la generación de electricidad, en reemplazo de los paneles solares.
El módulo de descenso tenía un escudo protector térmico más grueso que en las Soyuz originales, para permitir un reingreso seguro a la atmósfera terrestre después de una misión lunar.
El módulo de servicio era radicalmente diferente, tenía un sistema propulsor mucho más poderoso, y mayor capacidad de combustible.
El Complejo Espacial Lunar N1-L3
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(72562 bytes)
(Imagen: RSC Energia)
 
1. Módulo de descenso
2. Módulo habitable
3. Mecanismo de acople
4. Motores de acople y de control de actitud
5. Motores de acople
6. Compartimiento de propulsión
7. Compartimiento de energía
8. Motores del control de actitud
9. Etapa I de propulsión
10. Compartimiento de instrumentación
 
Perfil de una misión lunar N1-L3
El Complejo Espacial Lunar N1-L3

REFERENCIAS:

1
. Despegue del N1-L3.

2
. Inserción en órbita terrestre del sistema L3.
Tiempo de estadía en órbita terrestre: + 1 día.

3
. Empleo del Bloque G para impartir una trayectoria translunar (o trayectoria Tierra-Luna) al sistema L3. Separación del Bloque G.

4
. Corrección a mitad de recorrido por medio del encendido del Bloque D.
Duración del viaje a la Luna: 3.5 días.

5
. Inserción en órbita lunar usando el Bloque D.
Tiempo de estadía en órbita lunar: 4 días.

6
. Transferencia de un cosmonauta, desde el LOK al LK, por medio de una caminata espacial (o en inglés EVA, Extravehicular Activity).

7
. Separación del Bloque D / LK del LOK.

8
. Encendido del Bloque D, para frenado e inicio de la fase de descenso lunar. Se descarta al Bloque D entre 1 a 3 km sobre la superficie lunar. El LK continúa descendiendo usando su motor principal (o llegado el caso, el de reserva).

9
. Contacto con la Luna!!.
Tiempo de estadía en la Luna: de 6 a 24 hs.

10
. El previamente descartado Bloque D impacta sobre la Luna.

11
. Despegue desde la superficie, usando los mismos motores empleados para el descenso. Las patas de alunizaje y otros componentes del LK quedan en la Luna.

12
. Aproximación y acople del LOK con el LK.
Tiempo de estadía en órbita lunar: + 1 día.

13
. El cosmonauta del LK regresa por medio de una EVA al LOK. El LK es descartado.

14
. Inserción en trayectoria trans-terrestre (o trayectoria Luna-Tierra) usando los motores principales del LOK.
Tiempo de vuelo hacia la Tierra: 3.5 días.

15
. Corrección a mitad de curso por medio del encendido del motor principal del LOK.

16
. Se descartan los módulos habitable y de servicio del LOK.

17
. Reentrada del módulo de descenso.

18
. Descenso en paracaídas y contacto con la superficie terrestre.

NOTA: Los valores dados para la duración de los distintos eventos, son sólo valores aproximados. Se estimaba, para una misión lunar típica, una duración de 11-12 días.

 
Galería
El Complejo N1-L3 en la plataforma de lanzamiento

Impresión artística de un encuentro espacial LK-LOKSerge Gracieux)

Comparación Saturn V / N1-L3
Comparación LK / Apollo LM
Comparación Apollo CSM / LOK
 
Mendoza, Argentina, 21 de Diciembre de 2003.
 
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