RD-180 je pozoruhodný nejen kvůli geopolitickým zvláštnostem svého vzniku, ale také proto, že byl v mnoha ohledech jednoduše lepší než jakýkoli jiný raketový motor své doby. Když v únoru 2019 Elon Musk oznámil úspěšný test motoru Raptor společnosti SpaceX, který má pohánět raketu nové generace Starship této společnosti, pochlubil se vysokými tlaky dosaženými v náporové komoře Raptoru: více než 265násobek atmosférického tlaku na úrovni moře. Raptor, jak uvedl na Twitteru, překonal rekord, který po několik desetiletí držela „úžasná ruská RD-180“.

Po anexi Krymu Ruskem v roce 2014 byly dny RD-180 jako základny americké raketové techniky sečteny. Obranným jestřábům se toto uspořádání dlouho nelíbilo, ale motor byl jednak velmi dobrý a vzhledem ke svým schopnostem i levný – a tak zůstal. Jak se však vztahy s Ruskem zhoršovaly, podařilo se odpůrcům motoru v Kongresu v čele se senátorem Johnem McCainem prosadit zákaz jeho používání v amerických raketách po konci roku 2022. To donutilo letectvo najít novou raketu, která by nahradila Atlas 5 s motorem RD-180.

To vše vyvolává otázku:

Chcete-li pochopit, díky čemu se RD-180 stal tak dobrým motorem, pomůže vám pochopit, že je v tom velký kus řemesla. Ačkoli na raketových motorech spolupracují stovky lidí, je nezbytné, aby je řídil někdo s instinktem pro dobrou konstrukci: kompromisy jsou příliš složité na to, aby se daly vyřešit hrubou silou nebo komisí. V případě RD-180 se takový člověk jmenoval Valentin Gluško.

Poté, co SSSR prohrál s Amerikou v závodě na Měsíc, se podle Vadima Lukaševiče, leteckého inženýra a ruského historika vesmíru, stala konstrukce nejlepšího možného raketového motoru „národní prioritou“. Sovětští představitelé chtěli sestrojit nejvýkonnější raketu na světě, Eněrgii, která by udržovala jejich vesmírné stanice na oběžné dráze Země a vynášela by Buran, budoucí ruský raketoplán. Gluško dostal prostředky, aby postavil co nejlepší motor, a ve stavbě motorů byl dobrý. Výsledkem byl RD-170, starší bratr RD-180.

Red-170 byl jedním z prvních raketových motorů, které používaly techniku zvanou stupňovité spalování. Dalším byl hlavní motor amerického raketoplánu, rovněž vyvinutý v 70. letech 20. století. Naproti tomu motory F-1 v prvním stupni rakety Saturn V, která vynesla Apollo na Měsíc, byly starší, jednodušší konstrukce zvané plyn-generátorový motor. Klíčový rozdíl: motory se stupňovitým spalováním mohou být účinnější, ale hrozí u nich větší riziko výbuchu. Jak vysvětluje William Anderson, který studuje raketové motory na kapalná paliva na Purdueově univerzitě: „Rychlost uvolňování energie je prostě extrémní“. Anderson říká, že k pochopení šílených věcí, které se dějí ve spalovacích komorách raketových motorů, je zapotřebí člověk s opravdu bystrou představivostí. V Rusku byl takovou bystrou osobou Gluško.

„Do raketoplánu se investovalo tolik, že nikdo v NASA nechtěl mluvit o vývoji motoru s postupným spalováním bohatým na kyslík… Kyslík spálí většinu věcí, pokud mu dodáte jiskru.“

Abychom pochopili, proč byly Gluškovy motory takovým inženýrským úspěchem, musíme se dostat trochu do technické roviny.

Existují dva klíčové ukazatele výkonu rakety: tah, neboli velikost síly, kterou raketa vyvíjí, a specifický impuls, což je měřítko toho, jak efektivně raketa využívá své pohonné látky. Raketa s vysokým tahem, ale nízkým specifickým impulsem nedosáhne oběžné dráhy – musela by nést tolik paliva, že by jeho hmotnost vyžadovala další palivo atd. Naopak raketa s vysokým specifickým impulsem, ale nízkým tahem by se nikdy neodlepila od země. (Takové rakety však dobře fungují ve vesmíru, kde stačí stálý tah.)

Raketový motor, podobně jako letecký proudový motor, spaluje palivo společně s okysličovadlem – často kyslíkem – a vytváří horký plyn, který expanduje dolů a ven z trysky motoru a urychluje motor na druhou stranu. Na rozdíl od proudových motorů, které získávají kyslík z okolního vzduchu, musí mít rakety vlastní kyslík (nebo jiné okysličovadlo), protože ve vesmíru samozřejmě žádný není. Stejně jako proudové motory potřebují rakety způsob, jak dostat palivo a kyslík do spalovací komory pod vysokým tlakem; při zachování všech ostatních podmínek znamená vyšší tlak lepší výkon. K tomu rakety používají turbočerpadla, která se otáčejí stovkami otáček za sekundu. Turbopumpy jsou poháněny turbínami a ty jsou zase poháněny předhořívači, které podobně spalují část paliva a kyslíku.

Klíčový rozdíl mezi motory s postupným spalováním, jako je RD-180, a motory s plynovým generátorem, jako je Saturn F-1, spočívá v tom, co se děje se spalinami z těchto předhořívačů. Zatímco motory s plynovým generátorem je vyhazují za palubu, motory s postupným spalováním je znovu vstřikují do hlavní spalovací komory. Jedním z důvodů je, že výfukové plyny obsahují nespotřebované palivo a kyslík – předhořáky je nemohou všechny spálit. Jeho vyhození je plýtváním, což má význam u rakety, která také musí vynést každý kilogram paliva a kyslíku, který použije. Opětovné vstřikování výfukových plynů však vyžaduje jemné vyvážení příslušných tlaků a průtoků, aby motory nevybuchly. Aby to fungovalo, je zapotřebí celá řada turbočerpadel. Týmy odborníků obvykle potřebují deset i více let simulací a testování, aby přišly na to, jak to udělat správně.

RD-170 a RD-180 mají ještě jednu výhodu. Jsou bohaté na kyslík, což znamená přesně to, jak to zní: vstřikují do systému další kyslík. (Hlavní motor raketoplánu je naopak bohatý na palivo.) Motory bohaté na kyslík mají tendenci hořet čistěji a snadněji se zapalovat. Umožňují také vyšší tlaky ve spalovací komoře, a tím i lepší výkon – jsou však náchylnější k výbuchu, takže po desetiletí se v USA neusilovalo o jejich zprovoznění. „Do raketoplánu se investovalo tolik, že nikdo v NASA nechtěl mluvit o vývoji motoru s postupným spalováním bohatým na kyslík,“ říká Anderson. „Kyslík spálí většinu věcí, pokud mu dodáte jiskru.“ To vyžaduje velkou péči o materiály použité při výrobě motoru a ještě větší péči o to, aby se do něj nikdy nedostaly žádné cizí materiály – například smítka kovových úlomků. „Čím více se dozvídáme o fyzice toho, co se děje uvnitř spalovací komory, tím více si uvědomujeme, jak nestabilní to ve skutečnosti je,“ říká Anderson.

Pokud byl RD-170 pravděpodobně nejlepší raketový motor své generace, hlavní motor raketoplánu byl pravděpodobně druhý nejlepší (a jeho výroba byla podstatně dražší). Ani jeden z nich nevyužil svůj potenciál. Motor raketoplánu uvízl v citrónu vozidla, které bylo mnohem těžkopádnější, než jeho konstruktéři doufali, že bude. Na druhou stranu RD-170 letěl pouze dvakrát: jednou v roce 1987 a jednou v roce 1988. Přestože jeho vývoj byl národní prioritou, v době, kdy Gluško dokázal, že funguje, se Sovětský svaz chystal k rozpadu.

Devadesátá léta byla v Rusku bouřlivým obdobím, zejména pro kosmický program. Aby přežily bez státního financování, obrátily se nově zprivatizované letecké firmy na komerční trh.

Tehdy se do Moskvy přestěhoval Jim Sackett, inženýr, který pracoval pro Lockheed v Johnsonově vesmírném středisku NASA v Houstonu. Lockheed se začal zajímat o využití stupňovitého spalování bohatého na kyslík k pohonu nové generace raket Atlas, s nimiž plánoval soutěžit o zakázky pro letectvo a NASA.

Sackett, který byl pověřen vedením moskevské pobočky Lockheedu, byl osloven Energomašem, postsovětskou firmou kosmického průmyslu, která začala vlastnit RD-170 a související technologie motorů. Energomaš zájem Lockheedu nadšeně uvítal. Ale RD-170 byl příliš výkonný: rakety Atlas, které chtěla společnost Lockheed vyslat do vesmíru, byly podstatně menší než rakety Eněrgija, pro které byl RD-170 navržen. Energomaš tedy motor v podstatě zkrátil na polovinu – firma vypracovala návrh dvoukomorového derivátu čtyřkomorového RD-170, který by mohl být použit v Atlasu. Tak se zrodil RD-180.

Vztah vyžadoval pozoruhodnou integraci mezi ruskými a americkými vojensko-průmyslovými dodavateli. Lockheed si zřídil kancelář v Energomaš na předměstí Moskvy. Byla to obrovská operace, vzpomíná Sackett. „Mají tam metalurgický závod, takže kují vlastní kovy,“ říká. „Mají všechny vlastní strojírny, všechna vlastní zkušební zařízení. Je to spousta věcí, všechno pod jednou střechou. A nakonec z toho všeho vznikne raketový motor.“

Přibližně rok trvaly každodenní podrobné technické schůzky Sackettova týmu s vedením a inženýry Energomaš, aby pochopili, zda navrhovaný nákup motorů RD-180 bude fungovat, či nikoliv. Lockheed chtěl uzavřít malou nezávaznou dohodu. Energomaš trval na dlouhodobé dohodě. Smlouva byla podepsána na konci šestihodinového maratonu v roce 1996, říká Sackett. Výsledkem byl miliardový kontrakt na 101 motorů.

Americké letectvo, hlavní zákazník Lockheedu, požadovalo přístup k deseti klíčovým technologiím potřebným k výrobě RD-180 pro případ, že by se vztahy s Ruskem někdy narušily a Amerika by musela motory vyrábět sama. Byl to velký požadavek. USA usilovaly o korunovační klenot sovětské kosmické technologie a ruská vláda nebyla nadšená. „Ale neviděli jinou možnost,“ říká Sackett, „protože země nejenže změnila názor, ale přišla na mizinu. Prostě zkrachovala. A tak společnost zachránili.“

Ačkoli se větší pozornost věnuje americko-ruské spolupráci na Mezinárodní vesmírné stanici, v mnoha ohledech šla spolupráce s RD-180 hlouběji. Koneckonců vesmírná stanice není pro národní bezpečnost žádné ze zemí klíčová, zatímco průzkumné a komunikační družice ano.

Teď, když se vztahy mezi oběma zeměmi pošramotily, mohly by podle Sacketta USA prostě RD-180 vyrábět doma. Kritici motoru tvrdí, že by to bylo astronomicky drahé. Ale náklady „by neměly být astronomické!“. Sackett říká. „Máme tu chytré lidi a máme recept! Právě proto jsme identifikovali a vyjednali těch 10 klíčových výrobních technologií, abychom mohli vzít výkresy a poznámky a pak je jít postavit.“

To se pravděpodobně nestane, částečně proto, že po desetiletích stagnace americké společnosti konečně pracují na motorech, které by prostě mohly být lepší než RD-180.

Výkon motoru má zásadní vliv na konstrukci rakety nad ním. Když tedy Kongres nařídil, aby letectvo přestalo používat RD-180, vyvolalo to soutěž nejen o nový motor, ale i o zcela novou raketu. Taková soutěž byla nevyhnutelná – koneckonců konstrukce netrvají věčně. Ale protože konstrukce nových motorů a raket je nákladná a časově náročná, je načasování změny vždy politicky sporné. Kongresem nařízený zákaz RD-180 si tuto otázku vynutil.

O stavbu nové rakety se vážně ucházejí čtyři uchazeči: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (společný podnik společností Boeing a Lockheed Martin známý pod iniciálami ULA) a Northrop Grumman. Dva z nich budou vybráni na základě teorie, že dva vítězové vytvářejí trvalou konkurenci, zatímco jmenování jednoho by vedlo k monopolu, který by se pak mohl obrátit a vydírat letectvo. V sázce jsou tisíce pracovních míst: pokud ULA prohraje, může zkrachovat.

New Glenn, který se účastní soutěže, využívá BE-4, nejnovější a nejvýkonnější motor společnosti Blue Origin. (Stejně jako raketa společnosti ULA – obě firmy jsou současně konkurenty i obchodními partnery). Konstrukce BE-4 i Raptoru společnosti SpaceX jsou v zásadních ohledech založeny na RD-180. BE-4 je motor s postupným spalováním bohatým na kyslík, stejně jako RD-170 a RD-180. Raptor se zase podobá RD-180 v tom, že do spalovací komory přivádí výfukové plyny z předhořívací komory – tím je zajištěno, že téměř veškeré palivo a okysličovadlo uložené v nádržích rakety jsou využity k vytvoření tahu. Raptor však spoléhá na vylepšení Gluškova přístupu: jeho turbočerpadla pohánějí jak proudy bohaté na palivo, tak na okysličovadlo – teoreticky to vede k maximální účinnosti.

V jistém smyslu jsou BE-4 a Raptor jako pokus postavit lepší housle než Stradivárky s využitím moderních metod. Blue Origin a SpaceX mají přístup k lepší diagnostice a sofistikovanějším simulačním technikám, než měl Gluško. Mají také další konstrukční vlastnost důležitou pro americké letectvo: jsou vyráběny v USA.

Pravděpodobně největší technickou výhodou těchto nových motorů oproti RD-180 je to, že jako palivo používají metan, a nikoliv kerosin, jak je tomu u RD-180.

Největší technickou výhodou těchto nových motorů oproti RD-180 je to, že jako palivo používají metan. Kerosin může po opakovaném použití zaneřádit chod motoru. Metan má vyšší specifický impuls a hoří čistěji. Je také mnohem snazší (v zásadě) ho syntetizovat na Marsu, o což Musk usiluje.

Žádný z nových motorů zatím nedosáhl oběžné dráhy. SpaceX plánuje na letošní léto zkušební lety své rakety Starhopper, kterou budou nakonec pohánět tři Raptory. Půjde o krátké lety ve výšce několika tisíc metrů nad testovacím střediskem společnosti SpaceX v Texasu. Společnost Blue Origin rovněž testuje BE-4 v Texasu a začala stavět továrnu v Alabamě, kde bude motory vyrábět. Od letectva si pronajala startovací komplex 36, kde RD-180 poprvé vzlétl, a plánuje zde v roce 2021 vypustit New Glenn.

Energomaš mezitím zoufale doufá, že ruský kosmický program začne opět používat jeho motory. Přibližně 90 % jeho produkce v posledních letech odchází do USA, říká Pavel Luzin, analytik ruského kosmického průmyslu. Stejně jako jejím americkým protějškům, i společnosti Energomaš nyní hrozí, že bude zastaralá díky Muskovi a Bezosovi, kteří díky své svobodě od zděděných konstrukčních omezení a ochotě utrácet peníze a riskovat konečně vytrhli konstrukci raketových motorů z desetiletí trvající stagnace.