Le Soyuz
Contrairement aux pétroliers, le 7K/Soyouz accosterait à l'avant de l'étage du 9K. Le compartiment de largage sur le 9K continuerait d'effectuer les manœuvres orbitales nécessaires après l'accostage, puis serait ensuite jeté, découvrant le moteur principal de la fusée 9K, qui tirerait ensuite pour propulser le 7K/Soyouz vers la Lune. Le système de propulsion 7K/Soyouz lui-même serait utilisé pour les corrections de trajectoire pendant le vol vers et depuis la Lune. Après son retour au voisinage de la Terre, le vaisseau spatial 7K/Soyouz se séparerait, l'appareil de descente effectuant une descente contrôlée dans l'atmosphère, atterrissant en parachute sur le territoire soviétique.
Le vol nécessiterait donc cinq amarrages consécutifs, technique complexe due à l’insuffisance des fusées existantes. Korolev a signé des accords avec deux organisations relativement nouvelles dans l'activité spatiale : le SKB-385 à Miass sous la direction du concepteur en chef Viktor P. Makeyev pour produire le 9K, et l’OKB-10 à Krasnoïarsk sous la direction du concepteur en chef Mikhail F. Reshetnev pour construire le pétrolier 11K. Tous deux étaient des protégés de Korolev. Ils avaient tous deux travaillés dans les années 1950 à l’OKB-1.
Le projet Soyouz permettait à Korolev de conserver un rôle important dans les projets spatiaux soviétiques, malgré la concurrence de plus en forte de Chelomey et de Yangel, en attendant que le N1 lui redonne tout son prestige. Mais en 1962-1963, le succès de Korolev reposait sur le vaisseau Vostok.
Le vaisseau Soyouz (ou produit 7K), est donc né des projets 1L et Sever, et allait devenir le vaisseau de base de l’exploration spatiale soviétique pour les trente prochaines années. Les ingénieurs ont conservé la configuration à trois modules du 1L, en adoptant une capsule de retour en forme de phare et en conservant le module d'instrument cylindrique du Sever. Feoktistov a proposé de réduire la dimension de la capsule de retour à deux mètres de diamètres (initialement prévu à 2,3 mètres) pour réduire la masse de l’engin. Korolev, défavorable à cette idée vu les conditions très exigüe pour les cosmonautes, a demandé aux ingénieurs à l’initiative de cette idée de réduire la taille de leur bureau à cette dimension et d’y poursuivre leur travail. Malgré l’inconfort de la situation, ils ont continué leurs études dans cet espace réduit, emportant l’accord de Korolev.
Malgré les réserves des ingénieurs d’OKB-1, l’utilisation d’amarrages multiples n’a pas été abandonnée, même si elle multipliait les risques. Un nouveau plan d’amarrage multiple pour les missions circumlunaire a été présenté par Korolev le 24 décembre 1962, sous la pression de certains de ses adjoints dont Leonid A. Voskresensky. Ce plan impliquait trois vaisseaux : le vaisseau spatial à deux personnes 7K/Soyouz, l'étage de la fusée à injection Trans lunaire 9K et le pétrolier à propergol 11 K. Le projet final des plans techniques pour le vaisseau spatial 7K / Soyouz a été signé par Korolev le 7 mars 1963 engageant ainsi l’OKB-1 dans la course, le développement du vaisseau devenant l’objectif prioritaire des vols spatiaux habités.
Un comité d’expert, sous la direction de Keldysh a été nommé pour examiner les principaux détails du programme. La deuxième réunion de la commission d'experts a eu lieu le 20 mars. Chelomey et Glushko étaient parmi les participants, les deux anciens adversaires de Korolev qui possédaient leur propre plan d'exploration spatiale. Dans son discours, Korolev a exposé les principaux objectifs du projet Soyouz, présentant à la fois le rendez-vous et l'accostage ainsi que les missions circumlunaires pilotées. Keldysh, Chelomey et Glushko se sont exprimés après Korolev et ont approuvé globalement la proposition, ces deux derniers émettant, sans surprise, quelques remarques inquiètes sur les « grandes difficultés à réaliser ce projet ». Korolev les a rassurés, projetant avec optimisme le premier vol d'essai de l'engin spatial 7K/Soyouz d'ici l'été 1964. Le 10 mai 1963, l’OKB-1 a publié une plaquette technique décrivant en détail le 7K-9K-11K, ou complexe Soyouz, qui emmènerait les cosmonautes soviétiques autour de la Lune.
Le complexe 7K-9K-11K est né en 1963 pour succéder au Concept Vostok-7/1L. schéma montre le vaisseau spatial 7K amarré au translunaire 9K étage d'injection, qui a été chargé grâce à plusieurs pétroliers 11K. (1) et (7) compartiments largables; (2) compartiment agrégat 7K ; (3) compartiment à instruments 7K ; (4) Descente de 7K appareil : (5) compartiment d'habitation 7K : et (6) 9K bloc de fusée. Le 7K ressemble au futur vaisseau spatial Soyouz. (reproduit de M. V Keldysh éd., Tvorcheskoye naslediye Akademika Sergueïa Pavfovitcha Koroleva : izbrannyye trudy dans les documents (Moscou : Nauka, 1980)
Le vaisseau 7K était un véhicule à trois modules de 7,7 mètres de long : Le compartiment cylindrique des agrégats pour instruments, l'appareil de descente en forme de phare, le compartiment d'habitation cylindrique.
Le compartiment des instruments-agrégats comportait quatre éléments, de l'arrière à l’avant :
Le compartiment orbital pouvant être largué de l'engin spatial, qui contenait des instruments de rendez-vous, des systèmes radio pour contrôler son orbite, des appareils de transmission, de commandes de guidage, des systèmes de thermorégulation, des systèmes de guidage automatique et des systèmes de suivi ;
Le compartiment à agrégats, qui contenait les principaux moteurs de "correction d'approche" du véhicule 7K, ainsi que des batteries solaires attachées servant de sources d'énergie ;
Le compartiment des instruments, la plus grande section du cylindre, qui regroupait les instruments essentiels du véhicule pour assurer un vol prolongé dans l'espace, y compris les appareils radio à longue portée, les systèmes de contrôle d'orientation et d'attitude, les systèmes radio-télémétriques, les systèmes de thermorégulation primaires, l'alimentation sources pour le navire, dispositifs de minuterie programmables, systèmes de commutation embarqués pour la commande des systèmes de guidage automatique, et capteurs et "appareil de contrôle-relais" pour le suivi ;
Le compartiment de transfert, qui contenait les moteurs de contrôle d'altitude à l'extérieur et leurs réservoirs d'ergols à l'intérieur.
L'appareil de descente était une version plus petite du phare du Sever, avec des systèmes de survie, des systèmes de thermorégulation, des systèmes optiques et TV pour l'observation et le guidage, des panneaux de commande pour l'équipage, des systèmes de radiocommunications, des systèmes pour guider la capsule dans l'atmosphère et un système de parachute pour atterrir sur Terre. Une protection thermique à la base de la capsule fournirait une protection suffisante lors d'une rentrée à grande vitesse dans l’atmosphère.
Le compartiment d’habitation était le module cylindrique supplémentaire, avec à peu près le même diamètre que le compartiment instrument-agrégat, un peu plus de deux mètres. Cette section regrouperait des systèmes de survie, des éléments du système de thermorégulation, des microphones et des systèmes « dynamiques » de communications, des instruments scientifiques et des caméras. Les cosmonautes pourraient également utiliser le compartiment comme sas pour les activités extravéhiculaires. En outre, le sommet du logement, et donc l'ensemble du vaisseau spatial, aurait un grand système d'amarrage pour se connecter avec d'autres vaisseaux spatiaux. La masse totale du navire 7K/Soyouz était de 5 500 à 5 800 kilogrammes.
Le vaisseau 9K était un bloc de fusée. Il était conçu pour accélérer le véhicule 7K/Soyouz sur une trajectoire translunaire. Le vaisseau spatial de 7,8 mètres de long avait la forme d'un cylindre divisé en deux sections principales. La première section comportait le moteur de la fusée translunaire avec une poussée de quatre tonnes et demie, et le plus petit compartiment contenait un moteur de correction d'orbite, les systèmes de contrôle, et l'instrumentation de rendez-vous, ainsi qu'un nœud d'amarrage d'un côté, permettant le transfert du pétrolier. Le vaisseau serait lancé sans carburant pour gagner du poids et placé en orbite terrestre. La masse au lancement était de 5 700 kilogrammes.
La mission principale du complexe Soyouz commencerait par le lancement de la fusée 9K. Le vaisseau spatial automatisé effectuerait les changements nécessaires sur son orbite au moyen de son petit moteur de correction jusqu'à ce qu'il atteigne les paramètres orbitaux désirés. Lorsque le 9K passerait au-dessus de Tyura-Tam, le premier pétrolier 11K serait lancé en orbite transportant 4.155 kilogrammes de propulseur supplémentaire. La trajectoire orbitale initiale positionnerait le pétrolier à moins de vingt kilomètres de la fusée 9K. Si, à cause d'erreurs d'insertion orbitale, le module 11K ne s'approchait pas de la fusée 9K à moins de vingt kilomètres, alors le 9K effectuerait les ajustements orbitaux nécessaires pour amener les deux vaisseaux spatiaux à moins de vingt kilomètres. Des radars automatiques sur le vaisseau spatial citerne achèveraient alors l'approche finale, et le 9K accosterait avec le 11K. Après le transfert des carburants à travers le nœud d'amarrage, le pétrolier 11K se séparerait et serait éjecté.
Au moins trois autres pétroliers seraient lancés jusqu'à ce que le 9K soit complètement chargé avec vingt-cinq tonnes de carburant. A ce stade, le navire piloté 7K/Soyouz se mettrait en orbite avec son équipage de deux à trois cosmonautes.