RD-180 on merkittävä paitsi geopoliittisten erityispiirteidensä vuoksi, myös siksi, että se oli monella tapaa yksinkertaisesti parempi kuin mikään muu rakettimoottori aikanaan. Kun Elon Musk helmikuussa 2019 ilmoitti onnistuneesta testistä SpaceX:n Raptor-moottorilla, jonka on tarkoitus toimia yhtiön seuraavan sukupolven Starship-raketin voimanlähteenä, hän kehuskeli Raptorin työntövoimakammiossa saavutetuilla korkeilla paineilla: yli 265-kertainen ilmanpaine merenpinnan tasolla. Raptor, hän sanoi Twitterissä, oli ylittänyt ”mahtavan venäläisen RD-180:n” useita vuosikymmeniä hallussaan pitämän ennätyksen.”

Venäjän liityttyä Krimiin vuonna 2014 RD-180:n päivät yhdysvaltalaisen rakettitekniikan kantavana voimana olivat luetut. Puolustushaukat olivat jo pitkään olleet tyytymättömiä järjestelyyn, mutta moottori oli sekä erittäin hyvä että kykyihinsä nähden halpa – ja niin se pysyi. Mutta kun suhteet Venäjään kiristyivät, moottorin vastustajat kongressissa senaattori John McCainin johdolla saivat läpi kiellon, jonka mukaan moottoria ei saisi käyttää amerikkalaisissa raketeissa vuoden 2022 jälkeen. Tämä on pakottanut ilmavoimat etsimään uuden raketin RD-180-moottorilla varustetun Atlas 5:n seuraajaksi.

Tämä kaikki herättää kysymyksen:

Jos haluaa ymmärtää, mikä teki RD-180:stä niin hyvän moottorin, auttaa ymmärtämään, että siihen liittyy paljon käsityötä. Vaikka sadat ihmiset tekevät yhteistyötä rakettimoottoreiden parissa, on elintärkeää, että johdossa on joku, jolla on vaisto hyvästä suunnittelusta: kompromissit ovat liian monimutkaisia, jotta niitä voitaisiin selvittää raa’alla voimalla tai komitealla. RD-180:n tapauksessa tämä henkilö oli Valentin Glushko.

Kun Neuvostoliitto hävisi Yhdysvalloille kilpajuoksun kuuhun, parhaan mahdollisen rakettimoottorin suunnittelusta tuli Vadim Lukashevichin, avaruusinsinöörin ja venäläisen avaruushistorioitsijan, mukaan ”kansallinen prioriteetti”. Neuvostoliiton johtajat halusivat rakentaa maailman tehokkaimman raketin, Energia-raketin, jolla he voisivat ylläpitää avaruusasemiaan Maan kiertoradalla ja nostaa Buranin, tulevan venäläisen avaruussukkulan. Glushkolle annettiin resursseja rakentaa paras mahdollinen moottori, ja hän oli hyvä rakentamaan moottoreita. Tuloksena oli RD-170, RD-180:n isoveli.

RD-170-moottori kuului ensimmäisiin rakettimoottoreihin, joissa käytettiin tekniikkaa nimeltä vaiheittainen palaminen. Yhdysvaltain avaruussukkulan päämoottori, joka kehitettiin myös 1970-luvulla, oli toinen. Sen sijaan Apollo-ohjelman kuuhun lähettäneen Saturn V -raketin ensimmäisen vaiheen F-1-moottorit olivat vanhempaa, yksinkertaisempaa mallia, jota kutsutaan kaasugeneraattorimoottoriksi. Tärkein ero: vaiheittaisen palamisen moottorit voivat olla tehokkaampia, mutta niiden räjähdysriski on suurempi. William Anderson, joka tutkii nestemäisellä polttoaineella toimivia rakettimoottoreita Purduen yliopistossa, selittää: ”Energian vapautumisnopeudet ovat aivan äärimmäisiä.” Andersonin mukaan tarvitaan todella tarkkaa mielikuvitusta, jotta voi ymmärtää, millaisia hulluja asioita rakettimoottoreiden palotiloissa tapahtuu. Venäjällä tämä nokkela henkilö oli Glushko.

”Sukkulaan panostettiin niin paljon, ettei kukaan NASA:ssa halunnut puhua happirikkaan vaiheittaisen polttomoottorin kehittämisestä… Happi polttaa suurimman osan asioista, jos siihen saadaan kipinä.”

Ymmärtääksemme, miksi Glushkon moottorit olivat niin suuri insinööritekninen saavutus, meidän on mentävä hieman teknisemmälle tasolle.

Raketin suorituskykyä mitataan kahdella keskeisellä mittarilla: työntövoimalla eli sillä, kuinka suuren voiman raketti tuottaa, ja ominaisimpulssilla, jolla mitataan sitä, kuinka tehokkaasti raketti käyttää polttoaineitaan. Raketti, jolla on suuri työntövoima mutta alhainen ominaisimpulssi, ei pääse kiertoradalle – sen olisi kuljetettava niin paljon polttoainetta, että polttoaineen paino vaatisi lisää polttoainetta, ja niin edelleen. Sitä vastoin raketti, jolla on suuri ominaisimpulssi mutta pieni työntövoima, ei koskaan poistuisi maasta. (Tällaiset raketit toimivat kuitenkin hyvin avaruudessa, jossa tasainen työntövoima riittää.)

Rakettimoottori, aivan kuten lentokoneiden suihkumoottori, polttaa polttoainetta yhdessä hapettimen – usein hapen – kanssa, jolloin syntyy kuumaa kaasua, joka laajenee alaspäin ja ulos moottorin suuttimesta kiihdyttäen moottoria toiseen suuntaan. Toisin kuin suihkumoottorit, jotka saavat happea ympäröivästä ilmasta, rakettien on kuljetettava mukanaan omaa happea (tai muuta hapetinainetta), sillä avaruudessa sitä ei tietenkään ole. Kuten suihkumoottoreissa, myös raketeissa polttoaine ja happi on saatava pakotettua palotilaan korkeassa paineessa; korkeampi paine merkitsee parempaa suorituskykyä. Tätä varten raketeissa käytetään turbopumppuja, jotka pyörivät satoja kierroksia sekunnissa. Turbopumppuja pyörittävät turbiinit, ja niitä puolestaan pyörittävät esipolttimet, jotka niin ikään polttavat jonkin verran polttoainetta ja happea.

Kriittinen ero RD-180:n kaltaisten vaiheittaisen palamisen moottoreiden ja Saturnuksen F-1:n kaltaisten kaasugeneraattorimoottoreiden välillä piilee siinä, mitä esipolttimien pakokaasuille tapahtuu. Kaasugeneraattorimoottorit heittävät sen mereen, kun taas porrastetun palamisen moottorit syöttävät sen takaisin pääpolttokammioon. Yksi syy tähän on se, että pakokaasu sisältää käyttämätöntä polttoainetta ja happea – esipolttimet eivät pysty polttamaan kaikkea. Sen heittäminen pois on jätettä, millä on merkitystä raketissa, jonka on myös nostettava jokainen käyttämänsä polttoaine- ja happikilo. Pakokaasun uudelleen ruiskuttaminen edellyttää kuitenkin, että paineet ja virtausnopeudet tasapainotetaan hienovaraisesti, jotta moottorit eivät räjähdä. Se vaatii kokonaisen sarjan turbopumppuja, jotta se toimisi. Asiantuntijaryhmät tarvitsevat yleensä vähintään kymmenen vuotta simulointia ja testausta selvittääkseen, miten se onnistuu.

RD-170:llä ja RD-180:llä on toinenkin etu. Ne ovat happirikkaita, mikä tarkoittaa juuri sitä, miltä se kuulostaa: ne ruiskuttavat järjestelmään ylimääräistä happea. (Avaruussukkulan päämoottori sen sijaan on polttoainerikas moottori.) Happirikkaat moottorit palavat yleensä puhtaammin ja syttyvät helpommin. Ne mahdollistavat myös korkeammat palotilan paineet ja siten paremman suorituskyvyn, mutta ne ovat alttiimpia räjähdyksille, joten Yhdysvalloissa ei vuosikymmeniin yritetty saada niitä toimimaan. ”Sukkulaan panostettiin niin paljon, ettei kukaan NASA:ssa halunnut puhua happirikkaan vaiheittaisen polttomoottorin kehittämisestä, Anderson sanoo. ”Happi polttaa suurimman osan asioista, jos siihen saadaan kipinä.” Tämä edellyttää suurta huolellisuutta moottorin rakentamisessa käytettävien materiaalien suhteen ja vielä suurempaa huolellisuutta sen varmistamisessa, ettei moottorin sisälle pääse vieraita aineita, kuten metalliromun palasia. ”Mitä enemmän opimme polttokammion fysiikasta, sitä enemmän ymmärrämme, miten epävakaata se todella on”, Anderson sanoo.

Jos RD-170 oli kiistatta sukupolvensa paras rakettimoottori, avaruussukkulan päämoottori oli kiistatta toiseksi paras (ja huomattavasti kalliimpi valmistaa). Kumpikaan ei täyttänyt potentiaaliaan. Avaruussukkulan moottori jäi jumiin ajoneuvon sitruunaan, joka oli paljon hankalampi kuin sen suunnittelijat olivat toivoneet sen olevan. RD-170 puolestaan lensi vain kahdesti: kerran vuonna 1987 ja kerran vuonna 1988. Vaikka sen kehittäminen oli ollut kansallinen prioriteetti, Neuvostoliitto oli hajoamassa siihen mennessä, kun Glushko osoitti sen toimivan.

1990-luku oli Venäjällä myrskyisää aikaa, erityisesti avaruusohjelman kannalta. Selviytyäkseen ilman valtion rahoitusta vastikään yksityistetyt ilmailu- ja avaruusalan yritykset kääntyivät kaupallisten markkinoiden puoleen.

Tällöin Moskovaan muutti Jim Sackett, insinööri, joka oli työskennellyt Lockheedille NASA:n Johnson Space Centerissä Houstonissa. Lockheed kiinnostui käyttämään happirikasta porrastettua palamista seuraavan sukupolven Atlas-rakettien voimanlähteenä, joilla se aikoi kilpailla ilmavoimien ja NASAn sopimuksista.

Sackett, joka nimitettiin Lockheedin Moskovan toimipisteen johtajaksi, sai tehtäväkseen lähestyä Energomashia, Neuvostoliiton jälkeistä avaruusteollisuusyritystä, joka tuli omistamaan RD-170:n ja siihen liittyvän moottoriteknologian. Energomash otti Lockheedin kiinnostuksen innokkaasti vastaan. RD-170 oli kuitenkin liian tehokas: Atlas-raketit, joita Lockheed aikoi lähettää avaruuteen, olivat huomattavasti pienempiä kuin Energia, johon RD-170 oli suunniteltu. Niinpä Energomash leikkasi moottorin käytännössä kahtia – yritys laati ehdotuksen nelikammioisen RD-170:n kaksikammioisesta johdannaisesta, jota voitaisiin käyttää Atlaksessa. Tämä oli RD-180:n synty.

Suhde edellytti huomattavaa integraatiota venäläisten ja amerikkalaisten sotateollisuusyritysten välillä. Lockheed perusti toimiston Energomashille Moskovan esikaupunkiin. Se oli valtava operaatio, Sackett muistelee. ”Heillä on siellä metallurgiatehdas, joten he takovat omat metallinsa”, hän sanoo. ”Heillä on kaikki omat konepajansa ja kaikki omat testauslaitoksensa. Siellä on paljon tavaraa, kaikki saman katon alla. Ja lopulta kaikki se muuttuu rakettimoottoriksi.”

Sackettin tiimin ja Energomashin johtajien ja insinöörien välillä kesti noin vuoden verran päivittäisiä, perusteellisia teknisiä tapaamisia, jotta saatiin selville, toimisivatko ehdotetut RD-180-moottoreiden hankinnat. Lockheed halusi pienen, sitoutumattoman sopimuksen. Energomash piti kiinni pitkäaikaisesta järjestelystä. Sopimus allekirjoitettiin kuuden tunnin maratonistunnon päätteeksi vuonna 1996, Sackett kertoo. Tuloksena oli 101 moottorin miljardin dollarin sopimus.

Lockheedin pääasiakas, Yhdysvaltain ilmavoimat, vaati pääsyä kymmeneen tärkeimpään RD-180-moottorin valmistamiseen tarvittavaan teknologiaan siltä varalta, että suhteet Venäjään joskus kariutuisivat ja Yhdysvallat joutuisi valmistamaan moottorit itse. Pyyntö oli suuri. Yhdysvallat tavoitteli Neuvostoliiton avaruusteknologian kruununjalokiveä, eikä Venäjän hallitus ollut innoissaan. ”Mutta he eivät nähneet vaihtoehtoa”, Sackett sanoo, ”koska maa ei vain muuttanut mieltään, vaan meni vararikkoon”. Se vain meni täysin vararikkoon. Näin he pelastivat yhtiön.”

Vaikka amerikkalais-venäläiseen yhteistyöhön kansainvälisellä avaruusasemalla on kiinnitetty enemmän huomiota, RD-180-yhteistyö oli monessa suhteessa syvällisempää. Avaruusasema ei loppujen lopuksi ole ratkaisevan tärkeä kummankaan maan kansalliselle turvallisuudelle, kun taas tiedustelu- ja tietoliikennesatelliitit ovat.

Nyt kun maiden väliset suhteet ovat kärjistyneet, Sackett väittää, että Yhdysvallat voisi vain valmistaa RD-180:n kotimaassa. Moottorin kriitikot sanovat, että se olisi tähtitieteellisen kallista. Mutta kustannusten ”ei pitäisi olla tähtitieteellisiä!” Sackett sanoo. ”Meillä on täällä älykkäitä ihmisiä, ja meillä on resepti! Juuri siksi tunnistimme ja neuvoteltiin nuo 10 keskeistä valmistusteknologiaa, jotta voisimme ottaa piirustukset ja muistiinpanot ja sitten lähteä rakentamaan niitä.”

Se ei todennäköisesti tapahdu, osittain siksi, että vuosikymmenien pysähtyneisyyden jälkeen amerikkalaiset yritykset työskentelevät vihdoinkin moottoreiden parissa, jotka voivat olla parempia kuin RD-180.

Moottorin suorituskyky vaikuttaa suuresti sen yläpuolella olevan raketin suunnitteluun. Niinpä kun kongressi määräsi, että ilmavoimien on lopetettava RD-180:n käyttö, tämä aiheutti kilpailun paitsi uudesta moottorista, myös kokonaan uudesta raketista. Tällainen kilpailu oli väistämätön – eiväthän mallit kestä ikuisesti. Mutta koska uusien moottoreiden ja rakettien suunnittelu on kallista ja aikaa vievää, siirtymisen ajankohta on aina poliittisesti kiistanalainen. Kongressin määräämä RD-180-kielto pakotti asiaan.

Uuden raketin rakentamiseen on neljä vakavasti otettavaa kilpailijaa: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (Boeingin ja Lockheed Martinin yhteisyritys, joka tunnetaan nimikirjaimillaan ULA) ja Northrop Grumman. Näistä valitaan kaksi, koska kaksi voittajaa luo jatkuvaa kilpailua, kun taas yhden nimeäminen johtaisi monopoliin, joka voisi sitten kääntyä ympäri ja huijata ilmavoimia. Tuhannet työpaikat ovat vaakalaudalla: jos ULA häviää, se voi lopettaa toimintansa.

Blue Originin kilpailuun osallistuva New Glenn käyttää BE-4:ää, Blue Originin uusinta ja tehokkainta moottoria. (Kuten myös ULA:n raketti – nämä kaksi yritystä ovat samanaikaisesti kilpailijoita ja liikekumppaneita). Sekä BE-4:n että SpaceX:n Raptorin suunnittelussa on käytetty ratkaisevalla tavalla RD-180-moottoria. BE-4 on RD-170:n ja RD-180:n tavoin happirikas vaiheittaisen palamisen moottori. Raptor puolestaan muistuttaa RD-180:tä siinä, että se syöttää polttimen esipolttoaineen pakokaasun polttokammioon, mikä varmistaa, että lähes kaikki raketin säiliöihin varastoitu polttoaine ja hapetin käytetään työntövoiman tuottamiseen. Raptor luottaa kuitenkin Glushkon lähestymistavan hienosäätöön: sekä polttoaine- että hapettimenpitoiset virtaukset antavat virtaa sen turbopumpuille – teoriassa tämä johtaa maksimaaliseen hyötysuhteeseen.

Tietyllä tavalla BE-4 ja Raptor ovat kuin yritys rakentaa Stradivariusta parempi viulu nykyaikaisin menetelmin. Blue Originilla ja SpaceX:llä on käytössään parempaa diagnostiikkaa ja kehittyneempiä simulointitekniikoita kuin Glushkolla. Niillä on myös toinen amerikkalaisille ilmavoimille tärkeä suunnittelutekijä: ne on valmistettu Yhdysvalloissa.

Välttämättä suurin tekninen etu, joka näillä uusilla moottoreilla on RD-180-moottoriin verrattuna, on se, että ne käyttävät polttoaineena metaania eivätkä kerosiinia, kuten RD-180-moottori. Kerosiini voi sotkea moottorin toiminnan toistuvan käytön jälkeen. Metaanin ominaisimpulssi on suurempi ja se palaa puhtaammin. Sitä on myös paljon helpompi (periaatteessa) syntetisoida Marsissa, mihin Musk pyrkii.

Kumpikaan uusi moottori ei ole vielä päässyt kiertoradalle. SpaceX suunnittelee tälle kesälle koelentoja Starhopper-raketilleen, jonka voimanlähteenä on lopulta kolme Raptoria. Nämä lennot ovat lyhyitä hyppyjä, muutaman tuhannen jalan korkeudessa SpaceX:n testauspaikan yläpuolella Teksasissa. Blue Origin testaa myös BE-4:ää Teksasissa ja on alkanut rakentaa Alabamaan tehdasta, jossa se valmistaa moottoreita. Se on vuokrannut ilmavoimilta Launch Complex 36:n, jossa RD-180 lensi ensimmäisen kerran, ja aikoo laukaista New Glennin siellä vuonna 2021.

Energomash puolestaan toivoo epätoivoisesti, että Venäjän avaruusohjelma alkaisi jälleen käyttää sen moottoreita. Noin 90 prosenttia sen tuotannosta on viime vuosina mennyt Yhdysvaltoihin, sanoo venäläinen avaruusteollisuuden analyytikko Pavel Luzin. Kuten amerikkalaiset kollegansa, myös Energomash on nyt vaarassa tulla vanhentuneeksi Muskin ja Bezosin toimesta – nämä ovat vapauttaneet rakettimoottorisuunnittelun vuosikymmeniä kestäneestä pysähtyneisyydestään ja halukkuudellaan käyttää rahaa ja ottaa riskejä.