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La responsabilité du développement du programme lunaire habité a reposé principalement sur les épaules de Korolev, considéré comme le père de l'astronautique soviétique. Au début de sa carrière, Korolev travaille à la mise au point de moteurs fusées d'appoint pour avions chez le célèbre constructeur d’avions Tupolev. En 1938, victime des purges staliniennes, il est envoyé dans un goulag. Grâce à l'intervention de Tupolev il est rapidement transféré dans une charachka, camp de travail pour ingénieurs, où il continue ses travaux sur les fusées. En 1945, Korolev est envoyé en Allemagne afin de récolter un maximum d'informations sur les missiles V2.

A la mort de Staline en 1953, il est placé à la tête du bureau d'études NII-88, où il met au point des fusées dérivées de la V2. Par la suite, il devient directeur du bureau d'études spécial OKB-1 où il prend Michine comme adjoint. Korolev développe des missiles à longue portée dont le dernier, le R-7, mettra sur orbite Spoutnik ainsi que Gagarine. Cette fusée est encore utilisée de nos jours pour lancer les Soyouz. Il se penche également sur l’étude d'un super lanceur, la N-1, fusée destinée à envoyer des cosmonautes dans l’espace pour un survol de Mars et Venus. Les fonds nécessaires pour mener à bien ce projet ne lui sont pas alloués alors que son concurrent direct Tchelomeï, à la tête du bureau d'études OKB-52, reçoit le financement pour développer un lanceur moins puissant, l’UR-500, alias Proton.

Ce n'est qu’en 1964, deux ans après que Kennedy ait lancé le programme lunaire américain, que l'URSS prend conscience du retard de son propre programme. Le projet N-1 est repris un an plus tard mais Korolev, assisté de Michine, doit se battre pour obtenir le financement et les resources humaines nécessaires pour adapter la N-1. En effet, la N-1 originale ne permet pas de mettre en orbite basse plus de 72 t, une charge utile insuffisante pour envoyer un homme sur la Lune. Dans le but d’améliorer la puissance de sa fusée, Korolev se tourne vers Glouchko qui a le monopole de la fabrication des moteurs fusées. Celui-ci lui propose des moteurs hypergoliques mais trouvant cette technologie trop dangereuse, Korolev les refuse. C’est Tchelomeï qui, ayant reçu le feu vert pour une mission circumlunaire habitée avec son UR-500, s’associe à Glouchko. Cette opération prestige destinée à marquer le 50ème anniversaire de la Révolution d’Octobre n’a finalement pas été réalisée à cause des retards de mise au point. Tchelomei envisageait aussi d’envoyer un homme sur la Lune, mais en suivant une stratégie différente, un vol direct. A cet effet, il projetait une fusée gigantesque, la UR-700. A l’instar de son équivalent américain, le lanceur Nova, le projet UR-700 ne verra pas le jour. 

C’est le constructeur de moteurs d'avions Kuznetsov, du bureau d'ingénieurs OKB-276 qui va développer les moteurs de la N-1 pour Korolev. Malgré son manque d’expérience dans ce domaine, Kuznetsov va développer un moteur révolutionnaire à cycle fermé, le NK-15, produisant 25% de poussée supplémentaire que les moteurs classiques à cycle ouvert. Grâce à ces moteurs, la N-1 augmente sa charge utile de 23t, lui permettant ainsi de poser un homme sur la Lune. Mais ces moteurs sont de petite taille. L'URSS n'avait pas la technologie pour produire de gros moteurs comme ceux de la fusée américaine Saturn V. C'est pour cette raison que la N-1 possède 30 moteurs pour son premier étage. 

Malheureusement Korolev décède durant une intervention chirurgicale début 1966. C’est au moment de ses funérailles nationales que le monde occidental apprend son existence. En effet Korolev était tellement important pour le programme spatial que les Soviétiques avaient caché son existence de peur que les Américains ne l'assassinent. Michine est le seul qui ose reprendre les rênes du programme mais il n'a pas le charisme de son prédécesseur ni ses contacts au Kremlin. Le programme prend du retard mais seize lanceurs N-1 sont tout de même commandés dont douze prévus pour des tests, suivant ainsi la philosophe de Korolev, celle de tester d'abord et de corriger ensuite. Finalement seuls huit N-1 seront construits. 

Le guidage de la fusée est effectué par poussée différentielle des moteurs gérés par un ordinateur nommé KORD. Lors du premier vol, le 21 février 1968, le sytème KORD coupe les moteurs après une fuite de kérosène et la fusée N-1 3L s'écrase au sol après 70 secondes de vol. Au second tir, le 3 juillet de la même année, l'explosion d'une turbopompe entraîne l'arrêt des moteurs par ce même système. La fusée N-1 5L s’écrase sur son aire de lancement la détruisant entièrement. Un modèle d’ingénieur, la N-1 1ML, se trouvant sur la 2ème aire de lancement reste miraculeusement intact. Le 3ème essai est effectué le 26 juin 1971, cette fois-ci c'est un roulis incontrôlable qui fait exploser la fusée. Le 23 novembre 1972, lors du dernier essai,  la fusée explose après 107 secondes de vol suite à la destruction d'une pompe à oxygène par effet pogo. 

Un 5ème vol était prévu pour 1974 avec une nouvelle version à charge utile accrue: la N-1F. Mais Michine est remplacé par Glouchko qui s'empresse de mettre fin au programme lunaire afin de financer d'autres projets spatiaux.  Les N-1 restantes sont détruites : il fallait à tout prix cacher au monde l'échec du programme lunaire habité. Kutznetov parvient à soustraire de la destruction 60 moteurs améliorés, NK-33, prévus pour la nouvelle N-1F. Ils seront vendus vingt ans plus tard à Aerojet, une compagnie américaine qui les rebaptisera AJ 26-58 et AJ 26-29.