联盟号飞船设计开发东方号飞船采用的是近地点只有180千米的低轨道，在这样低的高度上，地球大气还相对比较密集，对飞船轨道具有明显的衰减作用
即使制动火箭失灵，飞船也可以在10天内逐渐衰减降低轨道，最终以不太大的再入速度返回地面
由于速度较低，东方号的防热设计也较为容易
相比之下，要向更远的太空迈进的新型飞船的再入难度则要大得多，优化在入轨道和再入飞行器的外形也就成为了设计的重中之重
设计人员提出了两种设计方案，一种被设计为具有空气动力学外形，能在跑道上着陆，另一种则采用弹道式再入方式
60年代初苏联的设计人员大多认为飞船设计成带机翼的飞机样式将导致重量太大、并需要较厚的隔热层，研制所需的费用也高得惊人，由于结构复杂，研制周期也会较长
故而苏联人采用了弹道再入方式
季洪拉沃夫领导的第一特别设计局（即ОКБ-1，现为科罗廖夫能源火箭航天集团）第9部门的一个小组提出了“双浸入”再入轨迹，降低了再入速度，过载为宇航员可以承受的3-4G
起初，科学家们设想了三种外形方案：分段球形、带梭状物的球形和切开的球形
第一特别设计局第11部门的罗辛小组提出了类似大钟的钝头形设计并且获得采纳，这种形状会增加飞船再入时的阻力，并能避免产生过高的温度和过载
后来联盟号飞船均采用了这种形状的返回舱
下一步需要确定的是飞船返回舱的着陆方式
由于苏联有辽阔的国土面积，因此在苏联本土着陆最为理想
设计人员设想过采用直升机旋翼、火箭、弹射座椅和可吸收冲击的气囊等多种手段，最后还是决定使用固体火箭与降落伞相配合的着陆方法
当时，要完成苏联更远大的登月梦想，用火箭直接发射大载荷到月球还不现实
因此，科学家提出了用当时苏联最成熟的R-7火箭多次发射，将不同的飞行器送入地球轨道并完成对接，形成组合飞行器，再飞往月球的方案，这一计划被认为具有可行性
在这一设想中，飞船的在轨对接顺序为：一名宇航员先乘坐东方7号发射升空，然后再将无人火箭顶舱发射入地球轨道，载人的东方号与该火箭顶舱交会对接
然后抛弃火箭下部的环状保护结构，露出对接系统准备与下枚火箭对接
重复进行，直到在轨组装完成一个四舱段的组合飞行器——东方7号和三枚火箭
随后发射携带1-3名登月宇航员的飞船，与组合飞行器对接
东方7号在探月飞船到达后分离
火箭接着一级一级点火，将飞船推入月球轨道
1962年，科罗廖夫签署了名为“地球卫星轨道上的空间飞行器对接成组合体”的科技计划说明书，这一计划代号“联盟”（俄语：Союз，英语：Soyuz）
计划中，除了需要创造一个载人空间站和研制出一艘能绕月飞行的飞船，还需要建立一个全球通信卫星系统
设计人员吸收了东方号和同期其他方案中取得的经验，提出了称为联盟7K的设计方案
之前设计方案中的钟形返回舱和圆柱形推进舱被沿用，还从探月飞船方案中借鉴了轨道舱设计，形成了三舱结构
初期的联盟号飞船设想由此基本完成
1962年12月24日，科罗廖夫提出了包括搭载两名宇航员的联盟7K、月球外入射级9K和推进级11K的新联盟号飞船方案
虽然设计局内部和政府方面都有反对的声音，但科罗廖夫还是对他的新技术充满信心，期望能借助这一“联盟号组合体”方案在美国人之前将宇航员送上月球
联盟7K全长7.7米，总重5500-5800千克，主体为三舱结构：圆柱形非密封仪器舱、钟形密封返回舱和圆柱形居住舱，联盟7K并未安装气闸舱门，因此宇航员无法进行出舱活动
无人单级火箭9K全长7.8米，重5700千克
推进级11K长4.2米，满载燃料时重6100千克
在绕月飞行任务中，首先发射9K，9K到达制定轨道后立刻发射11K为之补充燃料，总共要发射4枚11K
燃料补充满后，联盟7К飞船升空并与9K对接，9K执行轨道机动将7K送入地月转移轨道并脱离
联盟号飞船完成绕月飞行后返回地球，三舱分离，返回舱再入，其他舱段在大气层中焚毁
组合体的技术难点在于交会对接
如果计划过程中使用的火箭推力足够大，就不必进行多次交会和对接
因此苏联还开发了大推力的N1运载火箭，不过，同时进行两个登月项目似乎得不偿失，资源不集中使单个项目的研制实力都有所削弱，造成了预算吃紧，直接导致联盟计划资金短缺
在当时，美苏两国的登月计划已成为一场关系国家荣誉的竞赛
不过科罗廖夫的登月计划并未得到官方的足够支持
科罗廖夫在1963年提出了与登月计划相联系的五个重要方案设想：L1：联盟联合体绕月计划，需要进行6次发射；L2：13K月球车，需使用联盟号组合体9К和11K进行6次发射；L3：载人登月，需修改联盟7K的设计并额外携带单独的登月舱，该计划将会用到N1运载火箭；L4：使用改进后的联盟7K进行绕月飞行，需发射1枚N1火箭；L5：月球车，需发射1枚N1火箭
1964年春，联盟7К经过重新设计后的首个样机被制造出来，位于诺金斯克的中央研究院也安装了一台相对应的全尺寸宇航员训练器，9К和11К的1:30缩比模型也同时完成，用于交会对接模拟训练
1964年9月26日，一个用来确定空气动力学特性的联盟号飞船模型被发射上天，由于结构表面启动负载过大，发射后30多秒钟模型就凌空解体了
1964年7月，第一特别设计局的竞争对手第五十二设计局（ОКБ-52，即切洛梅设计局）被授权实施绕月飞行计划（使用UR-500质子号运载火箭发射LK-1载人飞船），L1联盟联合体绕月计划未受青睐
第一特殊设计局主要将精力集中到了L3载人登月项目上，不过设计局仍未放弃L1计划，最后L1衍生成为了著名的探测器计划（俄语：Зонд；英语：Zond）
使用N1火箭的N1/L3登月计划的实施过程与美国的阿波罗计划类似，具体为：N1火箭先将搭载两名宇航员的联盟7K飞船送入地球轨道，然后再点火进入月球轨道
任务指令长从轨道舱出舱，通过太空行走转移至登月舱，然后登月舱分离，发动机点火登陆月球
降落后，指令长将外出收集样品
24小时候，登月舱从月球表面发射，与轨道舱交会对接，指令长再次进行舱外转移，最后发动机点火飞回地球
这样，对接和舱外转移就成为了登月必须解决的技术问题
而且，具备这种能力的联盟7K飞船不仅可以用来登月，而且在地球轨道同样非常有价值
1965年，井改进获得了这种能力的联盟7K被命名为联盟7K-OK（轨道飞船），即通常所说的联盟原型
轨道飞船的军事用途不言而喻，第一特别设计局提出过联盟号拦截器计划，可以用来在高轨道上拦截敌方卫星，设想中飞船上安装有火箭模块，具有很好的轨道机动能力
利用联盟7K-OK充当载人侦查空间站和轨道科研站也都是相当现实的设想，都进行了有关的研制工作
1965年10月25日，由于第五十二设计局迟迟未能取得进展，第一特别设计局的联盟号L1飞船被用来取代LK-1飞船
计划仍保留了质子号运载火箭
12月31日，两家设计局达成一致意见，决定为绕月飞行建造14艘L1飞船
由于质子号运载火箭发射能力有限（比R-7系列略高，但却比后者重得多），加之时间紧迫（与美国竞争），未完成绕月任务，设计师只好在降低飞船重量上做文章，为此，联盟号组合体取掉了轨道舱和其他一些绕月飞行不需要使用的装置，并进行了相应的改动以最大限度地降低重量，人员也从3人减少到2人
按照计划，L1飞船将在1966年第3、4季度各造一艘，其他飞船在1967年前三个季度开工建造，首次发射原定于1966年底进行，联盟号即将向宇宙迈进，不过这些科罗廖夫已无法看见，他于1966年1月14日病逝，未能亲眼目睹联盟号飞船升空时的壮观场景
而探测器计划——此时还只是绕月计划，并未向更远的太空延伸——在1967-1970年间共进行了13次飞行试验，尽管其中有几次失败，但苏联成功举行了绕月飞行，拍摄了月球背部的照片并携带了生物上太空，进行了载人登月的前期准备
不过期间美国人抢先登上了月球，使得苏联绕月飞行的成就显得相对逊色了很多，苏联政府也就未在载人飞船登月这一项目上继续冒险，虽然此时苏联人已具备了载人登月的实力
美国阿波罗登月1年多后的1970年9月，月球16号无人探测器成功将月球土壤带回地球，为在月球竞赛中落后的苏联挽回一些颜面，从另一角度讲，此时苏联再进行载人登月的意义至少在短期内已经不那么大了
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