Le RD-180 est remarquable non seulement pour les particularités géopolitiques de sa montée en puissance, mais aussi parce qu’il était à bien des égards simplement meilleur que tout autre moteur de fusée de son époque. Lorsqu’en février 2019, Elon Musk a annoncé un test réussi du moteur Raptor de SpaceX, destiné à propulser la fusée Starship de prochaine génération de l’entreprise, il s’est vanté des hautes pressions atteintes dans la chambre de poussée du Raptor : plus de 265 fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. Raptor, a-t-il déclaré sur Twitter, avait dépassé le record détenu pendant plusieurs décennies par le « génial RD-180 russe ».

Après l’annexion de la Crimée par la Russie en 2014, les jours du RD-180 comme élément de base de la fusée américaine étaient comptés. Les faucons de la défense étaient depuis longtemps mal à l’aise avec cet arrangement, mais le moteur était à la fois très bon et, compte tenu de ses capacités, bon marché – et donc il est resté. Mais alors que les relations avec la Russie s’enveniment, les opposants au moteur au Congrès, menés par le sénateur John McCain, ont réussi à faire adopter une interdiction d’utiliser le moteur dans les fusées américaines après la fin de 2022. Cela a obligé l’Air Force à trouver une nouvelle fusée pour succéder à l’Atlas 5 à moteur RD-180.

Tout cela soulève une question : Comment un moteur russe vieux de plusieurs décennies est-il devenu la barre à laquelle se mesurent les meilleurs spécialistes américains des fusées ?

Si vous voulez comprendre ce qui a fait du RD-180 un si bon moteur, il est utile de comprendre qu’il y a beaucoup d’artisanat impliqué. Bien que des centaines de personnes collaborent sur les moteurs de fusée, avoir quelqu’un avec un instinct de bonne conception en charge est vital : les compromis sont trop complexes pour être compris par la force brute ou par un comité. Dans le cas du RD-180, cette personne s’appelait Valentin Glushko.

Après la défaite de l’URSS face à l’Amérique dans la course à la lune, la conception du meilleur moteur-fusée possible est devenue « une priorité nationale », selon Vadim Lukashevich, ingénieur aérospatial et historien russe de l’espace. Les dirigeants soviétiques voulaient construire la fusée la plus puissante du monde, l’Energia, pour soutenir leurs stations spatiales en orbite terrestre et pour soulever la Bourane, une future navette spatiale russe. Glushko a reçu des ressources pour construire le meilleur moteur possible, et il était doué pour construire des moteurs. Le résultat fut le RD-170, le grand frère du RD-180.

Le RD-170 a été parmi les premiers moteurs de fusée à utiliser une technique appelée combustion étagée. Le moteur principal de la navette spatiale américaine, également développé dans les années 1970, en était un autre. En revanche, les moteurs F-1 du premier étage de la fusée Saturn V, qui a lancé Apollo sur la lune, étaient d’une conception plus ancienne et plus simple, appelée moteur à générateur de gaz. La principale différence : les moteurs à combustion étagée peuvent être plus efficaces, mais ils présentent un plus grand risque d’explosion. Comme l’explique William Anderson, qui étudie les moteurs-fusées à carburant liquide à l’université de Purdue, « les taux de libération d’énergie sont tout simplement extrêmes. » Selon M. Anderson, il faut avoir une imagination débordante pour comprendre les phénomènes insensés qui se produisent dans les chambres de combustion des moteurs-fusées. En Russie, cette personne astucieuse était Glushko.

« Il y avait tellement d’investissements dans la navette que personne à la NASA ne voulait parler du développement d’un moteur à combustion étagée riche en oxygène… L’oxygène brûle la plupart des choses si vous fournissez une étincelle. »

Pour comprendre pourquoi les moteurs de Glushko étaient une telle réussite d’ingénierie, nous devons devenir un peu plus techniques.

Il existe deux mesures clés de la performance d’une fusée : la poussée, ou la quantité de force qu’une fusée exerce, et l’impulsion spécifique, une mesure de l’efficacité avec laquelle elle utilise ses propergols. Une fusée à forte poussée mais à faible impulsion spécifique n’atteindra pas son orbite : elle devrait transporter tellement de carburant que le poids du carburant nécessiterait plus de carburant, et ainsi de suite. À l’inverse, une fusée à impulsion spécifique élevée mais à faible poussée ne quittera jamais le sol. (De telles fusées fonctionnent bien dans l’espace, cependant, où une poussée régulière suffit.)

Un moteur de fusée, un peu comme un moteur à réaction d’avion, brûle du carburant avec un oxydant – souvent de l’oxygène – pour créer un gaz chaud qui se dilate vers le bas et sort de la tuyère du moteur, accélérant le moteur dans l’autre sens. Contrairement aux moteurs à réaction, qui tirent leur oxygène de l’air qui les entoure, les fusées doivent transporter leur propre oxygène (ou autre comburant), car dans l’espace, bien sûr, il n’y en a pas. Comme les moteurs à réaction, les fusées doivent pouvoir faire entrer le carburant et l’oxygène à haute pression dans la chambre de combustion ; toutes choses égales par ailleurs, une pression plus élevée est synonyme de meilleures performances. Pour ce faire, les fusées utilisent des turbopompes qui tournent à des centaines de tours par seconde. Les turbopompes sont entraînées par des turbines, et elles sont à leur tour alimentées par des pré-brûleurs, qui brûlent de la même manière une partie du carburant et de l’oxygène.

La différence cruciale entre les moteurs à combustion étagée comme le RD-180 et les moteurs à générateur de gaz comme le F-1 de Saturn réside dans ce qui arrive à l’échappement de ces pré-brûleurs. Alors que les moteurs à générateur de gaz les rejettent à la mer, les moteurs à combustion étagée les réinjectent dans la chambre de combustion principale. L’une des raisons de cette pratique est que les gaz d’échappement contiennent du carburant et de l’oxygène inutilisés – les pré-brûleurs ne peuvent pas tout brûler. Le rejeter est un gaspillage, ce qui est important dans une fusée qui doit également soulever chaque livre de carburant et d’oxygène qu’elle va utiliser. Mais réinjecter les gaz d’échappement implique d’équilibrer délicatement les pressions et les débits pertinents pour que les moteurs n’explosent pas. Il faut toute une série de turbopompes pour que cela fonctionne. Des équipes d’experts ont généralement besoin d’une décennie ou plus de simulations et de tests pour trouver comment y parvenir.

Les RD-170 et RD-180 ont un autre avantage. Ils sont riches en oxygène, ce qui signifie exactement ce à quoi cela ressemble : ils injectent de l’oxygène supplémentaire dans le système. (Le moteur principal de la navette spatiale, en revanche, est un moteur riche en carburant.) Les moteurs riches en oxygène ont tendance à brûler plus proprement et à s’allumer plus facilement. Ils permettent également d’obtenir des pressions plus élevées dans la chambre de combustion, et donc de meilleures performances, mais ils sont plus susceptibles d’exploser, si bien que pendant des décennies, aucun effort majeur n’a été consenti pour les faire fonctionner aux États-Unis. « On a tellement investi dans la navette que personne à la NASA ne voulait parler du développement d’un moteur à combustion étagée riche en oxygène », explique Anderson. « L’oxygène brûle la plupart des choses si vous fournissez une étincelle ». Cela nécessite une grande attention dans les matériaux utilisés pour construire le moteur, et une attention encore plus grande pour s’assurer qu’aucun matériau étranger – comme des débris métalliques – ne s’y retrouve. « Plus nous en apprenons sur la physique de ce qui se passe à l’intérieur d’une chambre de combustion, plus nous réalisons à quel point c’est vraiment instable », dit Anderson.

Si le RD-170 était sans doute le meilleur moteur de fusée de sa génération, le moteur principal de la navette spatiale était sans doute le deuxième meilleur (et était nettement plus cher à fabriquer). Aucun des deux n’a été à la hauteur de son potentiel. Le moteur de la navette spatiale était coincé dans un véhicule en forme de citron, beaucoup plus encombrant que ce que ses concepteurs avaient espéré. Le RD-170, quant à lui, n’a volé que deux fois : une fois en 1987 et une fois en 1988. Bien que son développement ait été une priorité nationale, au moment où Glushko a prouvé qu’il fonctionnait, l’Union soviétique était sur le point de s’effondrer.

Les années 1990 ont été une période turbulente en Russie, en particulier pour le programme spatial. Pour survivre sans financement gouvernemental, les entreprises aérospatiales nouvellement privatisées se sont tournées vers le marché commercial.

C’est alors que Jim Sackett, un ingénieur qui avait travaillé pour Lockheed au Johnson Space Center de la NASA à Houston, s’est installé à Moscou. Lockheed a commencé à s’intéresser à l’utilisation de la combustion étagée riche en oxygène pour alimenter la prochaine génération de fusées Atlas, avec lesquelles elle prévoyait de concourir pour les contrats de l’Air Force et de la NASA.

Sackett, qui a été mis en charge du bureau de Lockheed à Moscou, a été mis à contribution pour approcher Energomash, une entreprise de l’industrie spatiale post-soviétique qui est venue à posséder le RD-170 et la technologie de moteur connexe. Energomash a accueilli avec enthousiasme l’intérêt de Lockheed. Mais le RD-170 était trop puissant : les fusées Atlas que Lockheed souhaitait envoyer dans l’espace étaient considérablement plus petites que l’Energia, pour laquelle le RD-170 avait été conçu. Energomash a donc essentiellement coupé le moteur en deux – la société a élaboré une proposition pour un dérivé à deux chambres du RD-170 à quatre chambres qui pourrait être utilisé dans l’Atlas. Ce fut la naissance du RD-180.

La relation a nécessité une intégration remarquable entre les entrepreneurs militaro-industriels russes et américains. Lockheed a installé un bureau à Energomash, dans la banlieue de Moscou. C’était une opération énorme, se souvient Sackett. « Ils ont une usine métallurgique, ils forgent leurs propres métaux », dit-il. « Ils ont tous leurs propres ateliers d’usinage, toutes leurs propres installations de test. C’est beaucoup de choses, tout cela sous un même toit. Et finalement, tout cela se transforme en un moteur de fusée. »

Il a fallu environ un an de réunions techniques quotidiennes et approfondies entre l’équipe de Sackett et les cadres et ingénieurs d’Energomash pour comprendre si les achats proposés de moteurs RD-180 fonctionneraient ou non. Lockheed voulait un petit contrat sans engagement. Energomash souhaitait un accord à long terme. Le contrat a été signé à la fin d’une session marathon de six heures en 1996, dit Sackett. Le résultat : un contrat de 101 moteurs pour un milliard de dollars.

L’US Air Force, le principal client de Lockheed, a exigé l’accès à 10 technologies clés nécessaires à la production du RD-180, au cas où les relations avec la Russie s’envenimeraient et où l’Amérique devrait fabriquer les moteurs elle-même. C’était une demande importante. Les États-Unis sont à la recherche d’un joyau de la technologie spatiale soviétique, et le gouvernement russe n’est pas ravi. « Mais ils ne voyaient pas d’autre solution », explique Sackett, « car le pays n’a pas seulement changé d’avis, il s’est ruiné. Ils ont tout simplement fait faillite. C’est ainsi qu’ils ont sauvé l’entreprise. »

Bien que l’on ait accordé plus d’attention à la coopération américano-russe sur la station spatiale internationale, à bien des égards, la collaboration RD-180 allait plus loin. Après tout, la station spatiale n’est pas cruciale pour la sécurité nationale de l’un ou l’autre pays, alors que les satellites de reconnaissance et de communication le sont.

Maintenant que les relations entre les deux pays se sont effilochées, Sackett soutient que les États-Unis pourraient simplement fabriquer le RD-180 au niveau national. Les détracteurs du moteur affirment qu’il serait astronomiquement coûteux de le faire. Mais le coût « ne devrait pas être astronomique » ! dit Sackett. « Nous avons des gens intelligents ici, et nous avons la recette ! C’est exactement la raison pour laquelle nous avons identifié et négocié pour ces 10 technologies de fabrication clés, afin que nous puissions prendre les dessins et les notes et ensuite aller les construire. »

Cela ne risque pas d’arriver, en partie parce qu’après des décennies de stagnation, les entreprises américaines travaillent enfin sur des moteurs qui pourraient juste être meilleurs que le RD-180.

Les performances d’un moteur ont une profonde influence sur la conception de la fusée qui le surmonte. Ainsi, lorsque le Congrès a exigé que l’Air Force cesse d’utiliser le RD-180, cela a provoqué une compétition non seulement pour un nouveau moteur, mais aussi pour une toute nouvelle fusée. Une telle compétition était inévitable – après tout, les conceptions ne sont pas éternelles. Mais comme la conception de nouveaux moteurs et de nouvelles fusées est coûteuse et prend du temps, le moment choisi pour effectuer un changement est toujours politiquement controversé. L’interdiction du RD-180 mandatée par le Congrès a forcé la question.

Il y a quatre prétendants sérieux pour construire cette nouvelle fusée : SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (une coentreprise Boeing-Lockheed Martin connue par ses initiales, ULA) et Northrop Grumman. Deux d’entre eux seront choisis, en vertu de la théorie selon laquelle le fait d’avoir deux gagnants crée une concurrence permanente, tandis que la désignation d’un seul aboutirait à un monopole qui pourrait ensuite se retourner et escroquer l’armée de l’air. Des milliers d’emplois sont en jeu : si ULA perd, elle pourrait faire faillite.

Le New Glenn, la participation de Blue Origin à la compétition, utilise le BE-4, le moteur le plus récent et le plus puissant de Blue Origin. (Tout comme la fusée d’ULA – les deux entreprises sont simultanément concurrentes et partenaires commerciaux). Les conceptions du BE-4 et du Raptor de SpaceX sont influencées de manière cruciale par le RD-180. Le BE-4 est un moteur à combustion étagée riche en oxygène, comme le RD-170 et le RD-180. Le Raptor, quant à lui, ressemble au RD-180 en ce qu’il alimente la chambre de combustion avec les gaz d’échappement du pré-brûleur, garantissant ainsi que la quasi-totalité du carburant et du comburant stockés dans les réservoirs de la fusée sont utilisés pour générer la poussée. Cependant, le Raptor s’appuie sur une modification de l’approche de Glushko : les flux riches en carburant et en oxydant alimentent ses turbopompes – ce qui entraîne théoriquement une efficacité maximale.

D’une certaine manière, le BE-4 et le Raptor sont comme une tentative de construire un meilleur violon que Stradivarius, en utilisant des méthodes modernes. Blue Origin et SpaceX ont accès à de meilleurs diagnostics et à des techniques de simulation plus sophistiquées que celles de Glushko. Ils ont également une autre caractéristique de conception importante pour l’armée de l’air américaine : ils sont fabriqués aux États-Unis.

Possiblement le plus grand avantage technique que ces nouveaux moteurs ont par rapport au RD-180 est qu’ils utilisent du méthane comme carburant plutôt que du kérosène, comme le RD-180. Le kérosène peut encrasser les rouages d’un moteur après un usage répété. Le méthane a une impulsion spécifique plus élevée et brûle plus proprement. Il est également beaucoup plus facile (en principe) à synthétiser sur Mars, ce que Musk vise à faire.

Aucun des deux nouveaux moteurs n’a encore atteint son orbite. SpaceX prévoit des vols d’essai de sa fusée Starhopper, qui sera finalement alimentée par trois Raptors, pour cet été. Ces vols seront de courte durée, à quelques milliers de mètres au-dessus du site d’essai de SpaceX au Texas. Blue Origin teste également le BE-4 au Texas et a commencé à construire une usine en Alabama où elle fabriquera les moteurs. Elle a loué à l’armée de l’air le complexe de lancement 36, où le RD-180 a pris son premier envol, et prévoit d’y lancer le New Glenn en 2021.

Energomash, quant à elle, espère désespérément que le programme spatial russe recommencera à utiliser ses moteurs. Quelque 90 % de sa production est partie aux États-Unis ces dernières années, explique Pavel Luzin, analyste de l’industrie spatiale russe. À l’instar de ses homologues américains, Energomash risque maintenant d’être rendu obsolète par Musk et Bezos – qui, en s’affranchissant des contraintes de conception héritées du passé et en étant prêts à dépenser de l’argent et à prendre des risques, ont finalement sorti la conception des moteurs de fusée de décennies d’immobilisme.