D RD-180 er bemærkelsesværdig, ikke kun på grund af de geopolitiske særtræk ved dens fremgang, men fordi den på mange måder simpelthen var bedre end nogen anden raketmotor på sin tid. Da Elon Musk i februar 2019 annoncerede en vellykket test af SpaceX’ Raptor-motor, som skal drive virksomhedens næste generation af raketten Starship, pralede han med det høje tryk, der blev nået i Raptors skubkammer: over 265 gange det atmosfæriske tryk på havniveau. Raptor, sagde han på Twitter, havde overgået den rekord, som den “fantastiske russiske RD-180″ havde holdt i flere årtier.”

Efter Ruslands annektering af Krim i 2014 var RD-180’s dage som en fast bestanddel af amerikansk raketfart talte. Forsvarshøge havde længe været utilfredse med arrangementet, men motoren var både meget god og, i betragtning af dens kapacitet, billig – og derfor blev den. Men efterhånden som forholdet til Rusland blev mere og mere spinkelt, lykkedes det kongressens modstandere af motoren, anført af senator John McCain, at få vedtaget et forbud mod, at motoren ikke længere må anvendes i amerikanske raketter efter udgangen af 2022. Dette har tvunget luftvåbnet til at finde en ny raket til at afløse den RD-180-drevne Atlas 5.

Alt dette rejser et spørgsmål: Hvordan blev en årtier gammel russisk motor den målestok, som USA’s bedste raketforskere måler sig selv op imod?

Hvis man ønsker at forstå, hvad der gjorde RD-180 til en så god motor, hjælper det at forstå, at der er en hel del håndværk involveret. Selv om hundredvis af mennesker samarbejder om raketmotorer, er det afgørende at have en person med et instinkt for godt design i spidsen: Afvejningerne er for komplekse til at blive fundet ud af med råstyrke eller af et udvalg. I tilfældet RD-180 hed denne person Valentin Glushko.

Når Sovjetunionen tabte til USA i kapløbet om at nå til månen, blev det “en national prioritet” at designe den bedst mulige raketmotor, ifølge Vadim Lukashevich, en rumfartsingeniør og russisk rumhistoriker. De sovjetiske ledere ønskede at bygge verdens kraftigste raket, Energia, til at opretholde deres rumstationer i kredsløb om Jorden og til at løfte Buran, en kommende russisk rumfærge. Glushko fik ressourcer til at bygge den bedste motor, han kunne, og han var god til at bygge motorer. Resultatet blev RD-170, RD-180’s storebror.

Den russiske RD-170-motor var blandt de første raketmotorer, der benyttede en teknik, der kaldes trinvis forbrænding. Den amerikanske rumfærges hovedmotor, som også blev udviklet i 1970’erne, var en anden. I modsætning hertil var F-1-motorerne i første trin af Saturn V-raketten, som sendte Apollo til månen, af en ældre og enklere konstruktion kaldet gasgeneratormotor. Den vigtigste forskel er, at motorer med trinvis forbrænding kan være mere effektive, men de har større risiko for at eksplodere. Som William Anderson, der studerer raketmotorer med flydende brændstof på Purdue University, forklarer: “Energiafgivelseshastighederne er bare ekstreme.” Anderson siger, at det kræver en person med en virkelig skarp fantasi at forstå de vanvittige ting, der foregår i raketmotorers forbrændingskamre. I Rusland var denne skarpsindige person Glushko.

“Der var investeret så meget i rumfærgen, at ingen hos NASA ønskede at tale om at udvikle en iltrig motor med trinvis forbrænding … Ilt vil brænde de fleste ting, hvis du giver en gnist.”

For at forstå, hvorfor Glushkos motorer var sådan en ingeniørmæssig bedrift, er vi nødt til at blive lidt tekniske.

Der er to vigtige mål for en rakets ydeevne: fremdrift, eller den mængde kraft, en raket udøver, og specifik impuls, et mål for, hvor effektivt den bruger sine drivmidler. En raket med høj fremdrift, men lav specifik impuls vil ikke nå i kredsløb – den ville være nødt til at medbringe så meget brændstof, at brændstoffets vægt ville nødvendiggøre mere brændstof osv. Omvendt ville en raket med høj specifik impuls, men lavt skub, aldrig forlade jorden. (Sådanne raketter fungerer dog godt i rummet, hvor et stabilt skub er tilstrækkeligt.)

En raketmotor forbrænder ligesom en jetmotor i et fly brændstof sammen med et oxidationsmiddel – ofte ilt – for at skabe varm gas, der udvider sig nedad og ud af motorens dyse og accelererer motoren den anden vej. I modsætning til jetmotorer, som får ilt fra luften omkring dem, skal raketter medbringe deres egen ilt (eller et andet oxidationsmiddel), da der naturligvis ikke er nogen i rummet. Ligesom jetmotorer har raketter brug for en måde at tvinge brændstof og ilt ind i forbrændingskammeret ved et højt tryk; alt andet lige betyder et højere tryk bedre ydeevne. For at gøre det bruger raketter turbopumper, der drejer rundt med hundredvis af omdrejninger i sekundet. Turbopumperne drives af turbiner, og de drives igen af forbrændere, som ligeledes forbrænder noget brændstof og ilt.

Den afgørende forskel mellem motorer med trinvis forbrænding som RD-180 og gasgeneratormotorer som Saturns F-1 ligger i, hvad der sker med udstødningen fra disse forbrændere. Mens gasgeneratormotorer smider den over bord, genindsprøjter motorer med trinvis forbrænding den i hovedforbrændingskammeret. En af grundene til at gøre dette er, at udstødningen indeholder ubrugt brændstof og ilt – forbrænderne kan ikke forbrænde det hele. At smide det væk er spild, hvilket er vigtigt i en raket, der også skal løfte hvert pund brændstof og ilt, som den skal bruge. Men at genindsprøjte udstødningsgassen indebærer en delikat afbalancering af de relevante tryk og strømningshastigheder, så motorerne ikke sprænger i luften. Det kræver en hel række turbopumper for at få det til at fungere. Ekspertgrupper har typisk brug for et årti eller mere af simulering og afprøvning for at finde ud af, hvordan man får det rigtigt.

DRD-170 og RD-180 har en anden fordel. De er iltrige, hvilket betyder præcis, hvad det lyder som: De sprøjter ekstra ilt ind i systemet. (Rumfærgens hovedmotor er derimod en brændstofrig motor.) Iltrige motorer har en tendens til at brænde renere og lettere at antænde. De giver også mulighed for højere forbrændingskammertryk og dermed bedre ydeevne – men de er mere tilbøjelige til at eksplodere, så i årtier blev der ikke gjort nogen større indsats for at få dem til at fungere i USA. “Der var investeret så meget i rumfærgen, at ingen hos NASA ønskede at tale om at udvikle en iltrig motor med trinvis forbrænding”, siger Anderson. “Ilt vil brænde de fleste ting, hvis man sørger for en gnist.” Dette kræver stor omhu med hensyn til de materialer, der anvendes til at bygge motoren, og endnu større omhu med hensyn til at sikre, at ingen fremmede materialer – f.eks. metalrester – nogensinde kommer ind i motoren. “Jo mere vi lærer om fysikken i det, der foregår i et forbrændingskammer, jo mere indser vi, hvor ustabilt det virkelig er,” siger Anderson.

Hvis RD-170 var den bedste raketmotor i sin generation, var rumfærgens hovedmotor nok den næstbedste (og den var betydeligt dyrere at fremstille). Ingen af dem levede op til deres potentiale. Rumfærgemotoren sad fast i en citron af et fartøj, som var langt mere besværligt, end dets designere havde håbet, at det ville blive. RD-170-motoren fløj på den anden side kun to gange: en gang i 1987 og en gang i 1988. Selv om udviklingen af den havde været en national prioritet, var Sovjetunionen ved at falde fra hinanden, da Glushko beviste, at den virkede.

1990’erne var en turbulent tid i Rusland, især for rumprogrammet. For at overleve uden statslig finansiering vendte de nyligt privatiserede rumfartsfirmaer sig mod det kommercielle marked.

Det var der, hvor Jim Sackett, en ingeniør, der havde arbejdet for Lockheed på NASA’s Johnson Space Center i Houston, flyttede til Moskva. Lockheed blev interesseret i at bruge iltrig, trinvis forbrænding til at drive den næste generation af Atlas-raketter, som man planlagde at konkurrere om kontrakter med Air Force og NASA.

Sackett, der fik ansvaret for Lockheeds kontor i Moskva, blev sat til at henvende sig til Energomash, en post-sovjetisk virksomhed i rumfartsindustrien, som kom til at eje RD-170 og beslægtet motorteknologi. Energomash hilste Lockheeds interesse entusiastisk velkommen. Men RD-170 var for kraftig: de Atlas-raketter, som Lockheed ønskede at sende ud i rummet, var betydeligt mindre end Energia-raketten, som RD-170-motoren var designet til. Energomash skar derfor motoren i det væsentlige i to dele – firmaet udarbejdede et forslag til en afledt udgave med to kamre af RD-170-motoren med fire kamre, som kunne bruges i Atlas-raketten. Dette var RD-180’s fødsel.

Forholdet krævede en bemærkelsesværdig integration mellem russiske og amerikanske militærindustrielle entreprenører. Lockheed oprettede et kontor hos Energomash i en forstad til Moskva. Det var en enorm operation, husker Sackett. “De har et metallurgisk anlæg der, så de smeder deres egne metaller,” siger han. “De har alle deres egne maskinværksteder og alle deres egne testfaciliteter. Det er en masse ting, alt sammen under ét tag. Og i sidste ende bliver det hele til en raketmotor.”

Det tog omkring et år med daglige, dybtgående tekniske møder mellem Sacketts team og Energomashs ledere og ingeniører at forstå, om de foreslåede indkøb af RD-180-motorer ville fungere eller ej. Lockheed ønskede en lille, uforpligtende aftale. Energomash holdt fast i en langsigtet aftale. Kontrakten blev underskrevet ved afslutningen af et maratonmøde på seks timer i 1996, fortæller Sackett. Resultatet: en aftale på 101 motorer til en milliard dollars.

Det amerikanske luftvåben, Lockheeds vigtigste kunde, krævede adgang til 10 nøgleteknologier, der var nødvendige for at fremstille RD-180-motorer, hvis forholdet til Rusland nogensinde skulle gå i stå, og USA selv skulle fremstille motorerne. Det var et stort krav. USA var ude efter en af kronjuvelerne i sovjetisk rumteknologi, og den russiske regering var ikke begejstret. “Men de så intet alternativ,” siger Sackett, “for landet skiftede ikke bare mening, de gik fallit. De gik bare helt fladt fallit. Det var sådan, de reddede virksomheden.”

Men selv om der er blevet lagt større vægt på det amerikansk-russiske samarbejde om den internationale rumstation, gik RD-180-samarbejdet i mange henseender dybere. Når alt kommer til alt, er rumstationen ikke afgørende for begge landes nationale sikkerhed, mens rekognoscerings- og kommunikationssatellitter er det.

Nu, hvor forholdet mellem de to lande er slidt op, hævder Sackett, kunne USA bare fremstille RD-180 på hjemmemarkedet. Motorens kritikere siger, at det ville være astronomisk dyrt at gøre det. Men omkostningerne “burde ikke være astronomiske!” siger Sackett. “Vi har kloge mennesker her, og vi har opskriften! Det er præcis derfor, vi identificerede og forhandlede om disse 10 centrale fremstillingsteknologier, så vi kunne tage tegningerne og noterne og derefter gå ud og bygge dem.”

Det vil sandsynligvis ikke ske, bl.a. fordi amerikanske virksomheder efter årtiers stagnation endelig arbejder på motorer, der måske bare er bedre end RD-180.

En motors ydeevne har stor indflydelse på designet af raketten over den. Så da kongressen pålagde luftvåbnet at holde op med at bruge RD-180, udløste det en konkurrence, ikke bare om en ny motor, men om en helt ny raket. En sådan konkurrence var uundgåelig – design varer trods alt ikke evigt. Men da det er dyrt og tidskrævende at designe nye motorer og raketter, er tidspunktet for at foretage et skift altid politisk omstridt. Kongressens RD-180-forbud tvang spørgsmålet frem.

Der er fire seriøse bejlere til at bygge den nye raket: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (et joint venture mellem Boeing og Lockheed Martin, der er kendt under sine initialer, ULA) og Northrop Grumman. To af dem vil blive udvalgt ud fra teorien om, at to vindere skaber løbende konkurrence, mens en enkelt vinder ville resultere i et monopol, som så kunne vende sig om og udkonkurrere luftvåbnet. Tusindvis af arbejdspladser er på spil: Hvis ULA taber, kan det gå konkurs.

New Glenn, Blue Origin’s bidrag til konkurrencen, bruger BE-4, Blue Origin’s nyeste og kraftigste motor. (Det samme gør ULA’s raket – de to firmaer er på samme tid konkurrenter og forretningspartnere). Både BE-4’s og SpaceX’s Raptor’s design er på afgørende måder inspireret af RD-180-motoren. BE-4 er en motor med trinvis forbrænding, der er rig på ilt, ligesom RD-170 og RD-180. Raptor ligner RD-180, idet den fører udstødningen fra førbrænderen ind i forbrændingskammeret, hvilket sikrer, at næsten alt det brændstof og oxidationsmiddel, der er lagret i rakettens tanke, anvendes til at skabe fremdrift. Raptor er dog afhængig af en ændring af Glushkos tilgang: både brændstofrige og oxidationsmiddelrige strømme driver dens turbopumper – hvilket teoretisk set resulterer i maksimal effektivitet.

På en måde er BE-4 og Raptor som et forsøg på at bygge en bedre violin, end Stradivarius gjorde, ved hjælp af moderne metoder. Blue Origin og SpaceX har adgang til bedre diagnostik og mere sofistikerede simulationsteknikker, end Glushko havde. De har også et andet designtræk, der er vigtigt for det amerikanske luftvåben: De er fremstillet i USA.

Den største tekniske fordel, som disse nye motorer har i forhold til RD-180, er muligvis, at de bruger metan som brændstof i stedet for petroleum, som RD-180 gør. Kerosin kan efter gentagen brug gøre en motor uklar. Metan har en højere specifik impuls og brænder renere. Det er også meget lettere (i princippet) at syntetisere det på Mars, hvilket Musk har til hensigt at gøre.

Ingen af de to nye motorer er endnu nået i kredsløb. SpaceX planlægger testflyvninger af sin Starhopper-raket, som i sidste ende vil blive drevet af tre Raptors, til denne sommer. Disse flyvninger vil være korte hop, et par tusinde fod i luften over SpaceX’s testområde i Texas. Blue Origin tester også BE-4-raketten i Texas og er begyndt at bygge en fabrik i Alabama, hvor de vil fremstille motorerne. Selskabet har lejet Launch Complex 36, hvor RD-180 først fløj, af luftvåbnet og planlægger at opsende New Glenn der i 2021.

Energomash håber i mellemtiden desperat på, at det russiske rumprogram igen vil begynde at bruge dets motorer. Omkring 90 % af dets produktion er gået til USA i de seneste år, siger Pavel Luzin, der er analytiker i den russiske rumfartsindustri. Ligesom sine amerikanske modstykker risikerer Energomash nu at blive gjort forældet af Musk og Bezos – som med deres frihed fra gamle designbegrænsninger og villighed til at bruge penge og tage risici endelig har bragt raketmotordesignet ud af årtiers stilstand.