Имея много общего с КК «Союз», ЛОК отличался более сложной электроникой (системы управления, стыковки, связи и телеметрии), мощными источниками питания на топливных элементах, реактивной системой управления с двухкомпонентными ЖРД малой тяги и основной ДУ, разработанной практически заново.
Коническая «юбка» ПАО ЛОКа стыковалась с цилиндрической обечайкой, внутри которой находился лунный посадочный корабль (ЛК) Завершением сборки служили два мощных ракетных блока. Следует отметить, что высокоэкономичные ЖРД блоков, как и двигатели Н1, работали на нетоксичном кислородно-керосиновом топливе. Старт с околоземной орбиты осуществлялся с помощью блока «Г», который за 480 с работы выводил комплекс Л3 на траекторию полета к Луне, а потом отделялся от него.
Далее все маневры на долунной траектории, связанные с изменением скорости, проводились с помощью ЖРД многократного включения блока «Д» тягой 8,6 тс. Этот двигатель осуществлял коррекцию траектории полета, переход комплекса на окололунную орбиту высотой 110 км с последующим понижением этой высоты до 16 км. Затем следовали проверки систем комплекса и отделение ЛОКа.
До этого момента ЛК находился внутри цилиндрического переходника, а экипаж комплекса осуществлял управление полетом из жилых отсеков ЛОКа. Перед отделением ЛОКа один из членов экипажа в полужестком скафандре «Кречет» осуществлял переход через открытый космос с использованием манипулятора-штанги в кабину корабля ЛК. Второй член экипажа подстраховывал первого и был готов в любую минуту прийти к нему на помощь. Для этого он был одет в скафандр «Орлан» и находился в разгерметизированном БО корабля ЛОК, использовавшемся в качестве шлюзовой камеры.
Для людей, знакомых как с американским космическим кораблем «Аполлон», так и с последующими советскими пилотируемыми аппаратами, решение с переходом через открытый космос кажется несколько странным. Однако в данном случае оно вплотную переплетается со специфической компоновкой комплекса Л3 и со стремлением проектантов уменьшить количество перестроений кораблей за всю экспедицию, сведя к минимуму число стыковок. При углубленном анализе решения, принятые проектантами, представляются вполне логичными. Кроме того, не следует забывать, что программа «Аполлон» закладывалась на глазах советских разработчиков. Следовательно, причины, повлиявшие на принятые решения, были вескими.
При разработке КК «Союз» задача о внутреннем переходе космонавтов через люк-лаз в стыковочном устройстве не ставилась. При закладке комплекса Л3 было решено, что, коль скоро на Луне одному из членов экипажа все равно предстоит выход в открытый космос, этот же космонавт сможет перейти из ЛОКа в ЛК через космос. Вдобавок, уйдя от внутреннего перехода и необходимости соединения электрических и пневматических магистралей кораблей в общую сеть, проектанты пошли еще дальше и предложили оригинальное стыковочное устройство, рассчитанное исключительно на одну стыковку. Оно состояло из активного агрегата и пассивного агрегата (плоский сотовый шестиугольник). При этом отпадали высокие требования по точности и соосности совмещения кораблей. «Активному» кораблю (ЛОК) достаточно было просто попасть штырем в любое место на плоскости «пассивного» стыковочного агрегата, помещающегося на ЛК. Штырь пронзал соты, а «лапы» прижимали корабли, давая надежную механическую связь, достаточную для обратного перехода космонавта из кабины ЛК в ЛОК. Этим было не только сэкономлено несколько сот килограммов массы, но и развязаны очень многие «узкие места» в проекте.
Посадочный корабль ЛК состоял из сферической герметизированной кабины, в которой космонавт стоял перед приборной доской и посадочным иллюминатором, будучи зафиксирован в этом положении при помощи специального приспособления. Как и в американском корабле, для экономии массы кресло в кабине ЛК отсутствовало. В кабине помещалась часть систем жизнеобеспечения, различные приборы индикации и т. п. Большая часть аппаратуры была вынесена из кабины в герметичный цилиндрический приборный отсек, смонтированный снаружи задней части кабины. В верхней части кабины находился стыковочный агрегат и блоки микро-ЖРД ориентации. В нижней части кабины помещался ракетный блок «Е», лунное посадочное устройство (ЛПУ) и дополнительные приборные отсеки.
После того как один из космонавтов занимал место в кабине ЛК, ЛОК отделялся от цилиндрического переходника. Затем переходник «стаскивался» с посадочного корабля. В баках блока «Д», защищенных мощной криогенной теплоизоляцией, оставалось еще достаточно топлива. После включения его двигателя связка из этого РБ и корабля ЛК сходила с орбиты и тормозилась. На высоте приблизительно 1,5–2 км торможение заканчивалось сбросом пустого блока «Д». Начиная с этого момента, ЛК осуществлял автономный полет.
Маневры по снижению ЛК, зависанию над лунной поверхностью и мягкой посадке осуществлялись с помощью однокамерного ЖРД блока «Е» тягой 2050 кгс, имеющего возможность глубокого дросселирования и широкий диапазон регулирования тяги. Двигатель работал на топливе. АТ-НДМГ и был задублирован двухкамерным ЖРД примерно той же тяги.
Такая схема посадки корабля ЛК также отличается от американской. Она была продиктована прежде всего большим удельным импульсом ЖРД блока «Д» и как следствие, его высокой экономичностью. Кроме того, не было необходимости разрабатывать специальную посадочную ступень, которая должна использоваться для гашения большей части скорости при сходе аппарата с окололунной орбиты и мягкой посадке.
Итак, ЛК зависал на высоте нескольких десятков метров над поверхностью Луны. Его двигатель позволял производить маневрирование при заходе на посадку (также в пределах нескольких десятков метров) для ухода корабля от россыпей камней или склона кратера. Как показали наземные эксперименты на аппарате-аналоге, посадка на крутой склон кратера очень опасна для ЛК и может привести к опрокидыванию корабля, что равнозначно невозможности возвращения космонавта к ЛОКу.
Космонавт визуально выбирал место для посадки, и через несколько секунд ЛК опускался на поверхность. Вся процедура посадки с момента отделения от ЛК блока «Д» занимала чуть больше минуты. Возможности по маневрированию ЛК над лунной поверхностью были крайне ограниченны. В случае невозможности мягкой посадки предполагалось увеличить тягу ЖРД до максимальной и выводить ЛК на окололунную орбиту для встречи с ЛОКом.
При нормальной посадке ЛК опускался на поверхность Луны с помощью лунного посадочного устройства, состоящего из кольца, окружающего блок «Е», и четырех посадочных опор, прикрепленных к кольцу, Посадочные опоры («ноги») были в принципе аналогнчны посадочным опорам лунного модуля корабля «Аполлон» или опорам советской автоматической станции «Луна-16» и состояли из цилиндрических стоек с сотовыми энергопоглощающими элементами, подкосов, воспринимающих боковые нагрузки, и тарельчатых опор для посадки на поверхность. Параметры ЛПУ определялись на Земле в ходе серии экспериментов по посадке аппарата-аналога на грунты с различными механическими свойствами.
Для предотвращения подскока и переворачивания ЛК при посадке на лунную поверхность использовались четыре РДТТ «прижатия», которые включались в момент контакта опор ЛПУ с грунтом. Эффективность такого способа фиксации корабля также была подтверждена на Земле как при земной тяжести, так и на стенде, имитирующем лунную силу тяготения.
После посадки ЛК начинались операции на лунной поверхности. Посадочный корабль был рассчитан на автономное существование в течение 72 ч. Из них 48 ч он мог находиться на поверхности Луны, однако во время самых первых полетов это время должно было измеряться лишь несколькими часами. Ресурс скафандра позволял космонавту работать вне корабля около полутора часов. После посадки космонавт определял состояние систем корабля и готовился к выходу. Для этого он проверял герметичность скафандра и разгерметизировал кабину. Открыв люк, находящийся по левому борту, космонавт выходил на площадку ЛПУ и спускался по трапу на лунную поверхность.
Операции на Луне должны были состоять в водружении государственного флага СССР, развертывании научных приборов, заборе образцов грунта и фотографировании ландшафта, а также в ведении телерепортажей с лунной поверхности. Арсенал научных приборов советского космонавта был крайне ограничен малой массой грузов, которые мог нести ЛК.
Сложную проблему, связанную с пребыванием на Луне одного человека, составляла возможность падения космонавта на спину. В этом случае человека громоздком наддутом скафандре уподоблялся перевернутой черепахе. Из такой гибельной ситуации проектанты вышли достаточно остроумно, снабдив космонавта легким обручем типа хула-хуп, который он одевал, сходя на лунную поверхность. Обруч закреплялся в фиксаторе на поясе скафандра, располагался в основном сзади и не мешал работе. Если космонавт падал на спину, обруч позволял быстро перекатиться на бок или грудь и нормально встать. Это приспособление было испытано на самолете в условиях, имитирующих лунную тяжесть.
