A RD-180 nemcsak a geopolitikai sajátosságai miatt figyelemre méltó, hanem azért is, mert sok szempontból egyszerűen jobb volt, mint bármely más rakétahajtómű a maga idejében. Amikor 2019 februárjában Elon Musk bejelentette a SpaceX Raptor hajtóművének sikeres tesztjét, amely a vállalat következő generációs Starship rakétáját hivatott meghajtani, a Raptor tolóterében elért magas nyomással dicsekedett: a tengerszinten a légköri nyomás több mint 265-szörösével. A Raptor – írta a Twitteren – meghaladta a “félelmetes orosz RD-180-as” által több évtizeden át tartott rekordot.”

Miután Oroszország 2014-ben annektálta a Krímet, az RD-180-asnak, mint az amerikai rakétatechnika alapanyagának napjai meg voltak számlálva. A védelmi sólymoknak már régóta kényelmetlen volt az elrendezés, de a hajtómű egyszerre volt nagyon jó és – képességeit tekintve – olcsó – és így maradt. De ahogy az Oroszországgal való kapcsolatok elmérgesedtek, a hajtómű kongresszusi ellenzői, élükön John McCain szenátorral, elérték, hogy 2022 vége után tilos legyen a hajtóművet amerikai rakétákban használni. Ez arra kényszerítette a légierőt, hogy új rakétát találjon az RD-180-as meghajtású Atlas 5 utódjának.

Mindez felvet egy kérdést:

Ha meg akarjuk érteni, hogy mitől lett az RD-180 ilyen jó hajtómű, akkor segít megérteni, hogy nagyon sok kézműves munka van benne. Bár emberek százai dolgoznak együtt a rakétahajtóműveken, létfontosságú, hogy legyen valaki, akinek van érzéke a jó tervezéshez: a kompromisszumok túl bonyolultak ahhoz, hogy nyers erővel vagy bizottságok által találják ki őket. Az RD-180 esetében ezt a valakit Valentin Glushkónak hívták.

Miután a Szovjetunió kikapott Amerikától a Holdért folytatott versenyben, a lehető legjobb rakétamotor megtervezése “nemzeti prioritássá vált” Vadim Lukashevich űrmérnök és orosz űrtörténész szerint. A szovjet vezetők a világ legerősebb rakétáját, az Energia-t akarták megépíteni, hogy a Föld körüli pályán lévő űrállomásaikat fenntarthassák és a Buran-t, a leendő orosz űrsiklót felemelhessék. Glushkónak forrásokat adtak, hogy a lehető legjobb hajtóművet építse meg, és ő jól értett a hajtóműépítéshez. Az eredmény az RD-170 lett, az RD-180 idősebb testvére.

Az RD-170 az első olyan rakétahajtóművek közé tartozott, amelyek a szakaszos égésnek nevezett technikát használták. A szintén az 1970-es években kifejlesztett amerikai űrsikló főhajtóműve is ilyen volt. Ezzel szemben az Apollót a Holdra juttató Saturn V rakéta első fokozatában lévő F-1 hajtóművek egy régebbi, egyszerűbb konstrukciót, az úgynevezett gázgenerátoros hajtóművet alkalmazták. A legfontosabb különbség: a szakaszos égésű hajtóművek hatékonyabbak lehetnek, de nagyobb a robbanásveszélyük. Ahogy William Anderson, aki a Purdue Egyetemen a folyékony üzemanyaggal működő rakétahajtóműveket tanulmányozza, elmagyarázza: “Az energiafelszabadulás mértéke egyszerűen szélsőséges”. Anderson szerint nagyon éles eszű képzelőerő kell ahhoz, hogy valaki megértse, milyen őrült dolgok zajlanak a rakétamotorok égéstermékeiben. Oroszországban ez az okos ember Glushko volt.

“Annyira sokat fektettek az űrsiklóba, hogy a NASA-nál senki sem akart beszélni egy oxigénben gazdag, szakaszos égésű hajtómű kifejlesztéséről… Az oxigén a legtöbb dolgot elégeti, ha szikrát adunk neki.”

Hogy megértsük, miért volt Glushko hajtóművei ilyen mérnöki teljesítmény, egy kicsit technikailag kell eligazodnunk.

A rakéta teljesítményének két fő mérőszáma van: a tolóerő, vagyis a rakéta által kifejtett erő nagysága, és a fajlagos impulzus, amely azt mutatja, hogy milyen hatékonyan használja fel a hajtóanyagot. Egy nagy tolóerejű, de alacsony fajlagos impulzusú rakéta nem ér el pályára – annyi üzemanyagot kellene szállítani, hogy a súlya miatt még több üzemanyagra lenne szükség, és így tovább. Ezzel szemben egy nagy fajlagos impulzusú, de alacsony tolóerejű rakéta soha nem hagyná el a földet. (Az ilyen rakéták azonban jól működnek az űrben, ahol elegendő az egyenletes lökés.)

A rakétahajtómű, hasonlóan a repülőgépek sugárhajtóműveihez, az üzemanyagot egy oxidálószerrel – gyakran oxigénnel – együtt égeti el, hogy forró gázt hozzon létre, amely lefelé és kifelé tágul a hajtómű fúvókájából, a másik irányba gyorsítva a hajtóművet. A sugárhajtóművekkel ellentétben, amelyek a körülöttük lévő levegőből kapják az oxigént, a rakétáknak saját oxigént (vagy más oxidálószert) kell magukkal vinniük, mivel az űrben természetesen nincs. A sugárhajtóművekhez hasonlóan a rakétáknak is módot kell találniuk arra, hogy az üzemanyagot és az oxigént nagy nyomáson juttassák az égéstérbe; ha minden más tényező egyenlő, a nagyobb nyomás jobb teljesítményt jelent. Ehhez a rakéták turbópumpákat használnak, amelyek másodpercenként több száz fordulatszámmal forognak. A turbópumpákat turbinák hajtják, ezeket pedig előégetők hajtják, amelyek szintén elégetnek némi üzemanyagot és oxigént.

A döntő különbség az RD-180-hoz hasonló szakaszos égésű hajtóművek és a Szaturnusz F-1-hez hasonló gázgenerátoros hajtóművek között abban rejlik, hogy mi történik az előégetők kipufogógázával. Míg a gázgenerátoros hajtóművek a fedélzetre dobják, addig a szakaszos égésű hajtóművek visszasajtolják a fő égéstérbe. Ennek egyik oka, hogy a kipufogógáz fel nem használt üzemanyagot és oxigént tartalmaz – az előégetők nem tudják mindet elégetni. A kidobás pazarlás, ami nem mindegy egy olyan rakétánál, amelynek minden egyes kiló üzemanyagot és oxigént is fel kell emelnie. A kipufogógáz újbóli befecskendezése azonban a megfelelő nyomások és áramlási sebességek finom kiegyensúlyozását jelenti, hogy a hajtóművek ne robbanjanak fel. Ehhez egy egész sor turbószivattyúra van szükség, hogy ez működjön. A szakértői csapatoknak általában egy évtizedes vagy annál is hosszabb szimulációra és tesztelésre van szükségük, hogy kitalálják, hogyan kell ezt jól csinálni.

Az RD-170 és az RD-180 rendelkezik még egy előnnyel. Oxigéndúsak, ami pontosan azt jelenti, aminek hangzik: extra oxigént juttatnak a rendszerbe. (Az űrsikló főhajtóműve ezzel szemben üzemanyagban gazdag hajtómű.) Az oxigénben gazdag hajtóművek általában tisztábban égnek és könnyebben gyulladnak be. Nagyobb égéstér-nyomást és ezáltal jobb teljesítményt is lehetővé tesznek, de hajlamosabbak a robbanásra, ezért évtizedekig nem voltak komoly erőfeszítések arra, hogy az Egyesült Államokban működőképessé tegyék őket. “Olyan sokat fektettek az űrsiklóba, hogy a NASA-nál senki sem akart beszélni egy oxigéndús, szakaszos égésű hajtómű kifejlesztéséről” – mondja Anderson. “Az oxigén a legtöbb dolgot elégeti, ha szikrát adunk neki”. Ez nagy gondosságot igényel a hajtómű építéséhez használt anyagokkal kapcsolatban, és még nagyobb gondosságot abban, hogy semmilyen idegen anyag – például fémtörmelék – ne kerüljön bele. “Minél többet tudunk meg az égéstérben zajló folyamatok fizikájáról, annál inkább rájövünk, hogy ez valójában mennyire bizonytalan” – mondja Anderson.

Ha az RD-170 vitathatatlanul generációjának legjobb rakétamotorja volt, az űrsikló főhajtóműve vitathatatlanul a második legjobb volt (és lényegesen drágább volt az előállítása). Egyik sem váltotta be a hozzá fűzött reményeket. Az űrrepülőgép hajtóműve egy olyan járművön ragadt, amely sokkal nehézkesebb volt, mint azt tervezői remélték. Az RD-170 viszont csak kétszer repült: egyszer 1987-ben és egyszer 1988-ban. Bár a kifejlesztése nemzeti prioritás volt, mire Glusko bebizonyította, hogy működik, a Szovjetunió már szétesőben volt.

A kilencvenes évek viharos időszak volt Oroszországban, különösen az űrprogram számára. Az állami finanszírozás nélküli túlélés érdekében az újonnan privatizált űrkutatási cégek a kereskedelmi piac felé fordultak.

Ekkor költözött Moszkvába Jim Sackett mérnök, aki a NASA houstoni Johnson Űrközpontjában a Lockheednek dolgozott. A Lockheed érdeklődni kezdett az oxigénben gazdag szakaszos égés alkalmazása iránt az Atlas rakéták következő generációjának meghajtásához, amellyel a légierő és a NASA szerződéseiért akartak versenyezni.

Sackett, akit a Lockheed moszkvai irodájának vezetésével bíztak meg, felkereste az Energomash-t, egy posztszovjet űripari céget, amely az RD-170 és a kapcsolódó hajtóműtechnológia tulajdonosa lett. Az Energomash lelkesen fogadta a Lockheed érdeklődését. Az RD-170 azonban túl nagy teljesítményű volt: az Atlas rakéták, amelyeket a Lockheed az űrbe akart küldeni, lényegesen kisebbek voltak, mint az Energia, amelyhez az RD-170-et tervezték. Ezért az Energomash lényegében kettévágta a hajtóművet – a cég javaslatot készített a négykamrás RD-170 kétkamrás származékára, amelyet az Atlasban lehetne használni. Ez volt az RD-180 születése.

A kapcsolat figyelemre méltó integrációt igényelt az orosz és az amerikai hadiipari vállalkozók között. A Lockheed irodát hozott létre az Energomashnál, egy moszkvai külvárosban. Ez egy hatalmas művelet volt, emlékszik vissza Sackett. “Van ott egy kohászati üzemük, így saját fémeket kovácsolnak” – mondja. “Saját gépműhelyeik, saját tesztberendezéseik vannak. Rengeteg dolog, mindez egy fedél alatt. És végül az egészből rakétahajtómű lesz.”

Sackett csapata és az Energomash vezetői és mérnökei között körülbelül egy évig tartott a napi szintű, mélyreható műszaki megbeszéléseken, hogy megértsék, hogy az RD-180-as hajtóművek javasolt beszerzése működőképes lesz-e vagy sem. A Lockheed egy kis összegű, kötelezettségvállalás nélküli üzletet akart. Az Energomash hosszú távú megállapodásra törekedett. A szerződést egy maratoni, hatórás ülés végén írták alá 1996-ban, mondja Sackett. Az eredmény: egy 101 hajtóműves, milliárd dolláros üzlet.

Az amerikai légierő, a Lockheed fő megrendelője hozzáférést követelt az RD-180 gyártásához szükséges 10 kulcsfontosságú technológiához, arra az esetre, ha az oroszországi kapcsolatok valaha is megromlanának, és Amerikának magának kellene gyártania a hajtóműveket. Ez nagy kérés volt. Az USA a szovjet űrtechnológia egyik ékkövére pályázott, az orosz kormány pedig nem volt elragadtatva. “De nem láttak más lehetőséget” – mondja Sackett – “mert az ország nem csak meggondolta magát, hanem csődbe ment. Egyszerűen csődbe mentek. Így mentették meg a vállalatot.”

Bár a Nemzetközi Űrállomással kapcsolatos amerikai-orosz együttműködésnek nagyobb figyelmet szenteltek, az RD-180-as együttműködés sok tekintetben mélyebbre hatolt. Végül is az űrállomás egyik ország nemzetbiztonsága szempontjából sem létfontosságú, míg a felderítő és kommunikációs műholdak igen.”

Most, amikor a két ország közötti kapcsolatok elmérgesedtek, Sackett szerint az USA egyszerűen gyárthatná az RD-180-at hazai gyártásban. A hajtómű kritikusai szerint ez csillagászati költségekkel járna. De a költségeknek “nem kellene csillagászatiaknak lenniük”! mondja Sackett. “Vannak itt okos embereink, és megvan a recept! Pontosan ezért azonosítottuk és tárgyaltunk arról a 10 kulcsfontosságú gyártási technológiáról, hogy foghassuk a rajzokat és a jegyzeteket, és aztán mehessünk megépíteni.”

Ez valószínűleg nem fog megtörténni, részben azért, mert évtizedes stagnálás után az amerikai cégek végre olyan hajtóműveken dolgoznak, amelyek talán jobbak lehetnek, mint az RD-180.

Egy hajtómű teljesítménye mélyen befolyásolja a felette lévő rakéta tervezését. Amikor tehát a Kongresszus elrendelte, hogy a légierő hagyja abba az RD-180 használatát, ez nemcsak egy új hajtóműért, hanem egy teljesen új rakétáért indított versenyt. Egy ilyen verseny elkerülhetetlen volt – elvégre a tervek nem tartanak örökké. Mivel azonban az új hajtóművek és rakéták tervezése drága és időigényes, a váltás időzítése mindig politikai viták tárgya. A kongresszus által elrendelt RD-180 betiltása kényszerítette ki a kérdést.

Az új rakéta megépítésére négy komoly pályázó van: A SpaceX, a Blue Origin, a United Launch Alliance (a Boeing és a Lockheed Martin közös vállalkozása, amelyet a rövidítései alapján ULA-nak hívnak) és a Northrop Grumman. Közülük kettőt fognak kiválasztani, azzal az elmélettel, hogy a két győztes folyamatos versenyt teremt, míg ha egyet neveznek meg, az monopolhelyzetet eredményezne, amely aztán megfordulhatna, és lenyúlhatná a légierőt. Munkahelyek ezrei forognak kockán: ha az ULA veszít, tönkre is mehet.

A New Glenn, a Blue Origin versenybe szálló pályázata a BE-4-et, a Blue Origin legújabb és legerősebb hajtóművét használja. (Akárcsak az ULA rakétája – a két cég egyszerre versenytárs és üzleti partner.) Mind a BE-4, mind a SpaceX Raptorának terveit döntő mértékben az RD-180-as hajtóművek határozzák meg. A BE-4 egy oxigénben gazdag, szakaszos égésű hajtómű, akárcsak az RD-170 és az RD-180. A Raptor pedig abban hasonlít az RD-180-ra, hogy az égés előtti kipufogógázt az égéstérbe táplálja – így biztosítva, hogy a rakéta tartályaiban tárolt üzemanyag és oxidálószer szinte teljes egészében a tolóerő előállítására kerüljön felhasználásra. A Raptor azonban a Glushko-féle megközelítés egy csavarjára támaszkodik: mind az üzemanyagban, mind az oxidálószerben gazdag áramlatok táplálják a turbópumpákat – ami elméletileg maximális hatékonyságot eredményez.

A BE-4 és a Raptor bizonyos értelemben olyan, mintha megpróbálnának jobb hegedűt építeni, mint Stradivari tette, modern módszerekkel. A Blue Origin és a SpaceX jobb diagnosztikához és kifinomultabb szimulációs technikákhoz fér hozzá, mint Glushko. Van egy másik, az amerikai légierő számára fontos tervezési jellemzőjük is: az Egyesült Államokban készülnek.

Az új hajtóművek talán legnagyobb műszaki előnye az RD-180-as hajtóművel szemben az, hogy metánt használnak üzemanyagként, nem pedig kerozint, mint az RD-180-as. A kerozin többszöri használat után elszennyezheti a hajtóműveket. A metánnak nagyobb a fajlagos impulzusa, és tisztábban ég. Emellett (elvileg) sokkal könnyebb szintetizálni a Marson, amit Musk meg is kíván tenni.

Egyik új hajtómű sem ért még pályára. A SpaceX idén nyárra tervezi Starhopper rakétájának tesztrepüléseit, amelyet végül három Raptor hajt majd. Ezek a repülések rövid ugrások lesznek, néhány ezer láb magasan a levegőben a SpaceX texasi tesztpályája felett. A Blue Origin szintén Texasban teszteli a BE-4-et, és megkezdte egy alabamai gyár építését, ahol a hajtóműveket fogja gyártani. A légierőtől kibérelte a 36-os indítókomplexumot, ahol az RD-180-as először repült, és 2021-ben tervezi a New Glenn indítását ott.

Az Energomash eközben kétségbeesetten reméli, hogy az orosz űrprogram újra elkezdi használni a hajtóműveit. Termelésének mintegy 90%-a az elmúlt években az Egyesült Államokba ment, mondja Pavel Luzin, egy orosz űripari elemző. Amerikai társaihoz hasonlóan az Energomash is azt kockáztatja, hogy Musk és Bezos – akik az örökölt tervezési korlátoktól való mentességükkel, valamint a pénzköltési és kockázatvállalási hajlandóságukkal végre kizökkentették a rakétahajtóművek tervezését az évtizedek óta tartó stagnálásból – elavulttá teszik.