L’RD-180 è notevole non solo per le peculiarità geopolitiche della sua ascesa alla ribalta, ma perché era in molti modi semplicemente migliore di qualsiasi altro motore a razzo del suo tempo. Quando, nel febbraio 2019, Elon Musk ha annunciato un test di successo del motore Raptor di SpaceX, che è destinato ad alimentare il razzo di prossima generazione Starship della società, si è vantato delle alte pressioni raggiunte nella camera di spinta del Raptor: oltre 265 volte la pressione atmosferica a livello del mare. Raptor, ha detto su Twitter, ha superato il record detenuto per diversi decenni dal “fantastico RD-180 russo.”

Dopo che la Russia ha annesso la Crimea nel 2014, i giorni dell’RD-180 come punto fermo della missilistica americana erano contati. I falchi della difesa erano stati a lungo a disagio con l’accordo, ma il motore era molto buono e, data la sua capacità, economico – e così è rimasto. Ma mentre le relazioni con la Russia si sfilacciavano, gli oppositori del motore al Congresso, guidati dal senatore John McCain, sono riusciti a far passare un divieto contro l’uso del motore nei razzi americani dopo la fine del 2022. Questo ha costretto l’Air Force a trovare un nuovo razzo per succedere all’Atlas 5 alimentato dall’RD-180.

Tutto ciò solleva una domanda: Come ha fatto un motore russo vecchio di decenni a diventare l’asticella con cui i migliori scienziati missilistici americani si misurano?

Se si vuole capire cosa ha reso l’RD-180 un motore così buono, aiuta a capire che c’è una grande quantità di mestiere coinvolto. Anche se centinaia di persone collaborano ai motori a razzo, avere qualcuno con un istinto per il buon design in carica è vitale: i compromessi sono troppo complessi per essere capiti con la forza bruta o con un comitato. Nel caso dell’RD-180, quel qualcuno si chiamava Valentin Glushko.

Dopo che l’URSS perse contro l’America nella corsa alla luna, progettare il miglior motore a razzo possibile divenne “una priorità nazionale”, secondo Vadim Lukashevich, un ingegnere aerospaziale e storico dello spazio russo. I leader sovietici volevano costruire il razzo più potente del mondo, l’Energia, per sostenere le loro stazioni spaziali in orbita terrestre e per sollevare il Buran, un aspirante space shuttle russo. A Glushko furono date risorse per costruire il miglior motore possibile, e lui era bravo a costruire motori. Il risultato fu l’RD-170, il fratello maggiore dell’RD-180.

L’RD-170 fu tra i primi motori a razzo a utilizzare una tecnica chiamata combustione graduale. Il motore principale della navetta spaziale statunitense, anch’esso sviluppato negli anni ’70, era un altro. Al contrario, i motori F-1 nel primo stadio del razzo Saturn V, che ha lanciato l’Apollo sulla luna, erano di un design più vecchio e semplice chiamato motore a gas. La differenza chiave: i motori a combustione graduale possono essere più efficienti, ma sono a maggior rischio di esplosione. Come spiega William Anderson, che studia i motori a razzo a combustibile liquido alla Purdue University, “I tassi di rilascio di energia sono semplicemente estremi”. Ci vuole qualcuno con un’immaginazione davvero astuta, dice Anderson, per capire le cose folli che accadono all’interno delle camere di combustione dei motori a razzo. In Russia, quella persona astuta era Glushko.

“C’era così tanto investito nello shuttle che nessuno alla NASA voleva parlare di sviluppare un motore a combustione graduale ricco di ossigeno … L’ossigeno brucia la maggior parte delle cose se si fornisce una scintilla.”

Per capire perché i motori di Glushko erano una tale conquista ingegneristica, dobbiamo diventare un po’ tecnici.

Ci sono due misure chiave delle prestazioni di un razzo: la spinta, o la quantità di forza che un razzo esercita, e l’impulso specifico, una misura di quanto efficientemente utilizza i suoi propellenti. Un razzo con alta spinta ma basso impulso specifico non raggiungerà l’orbita – dovrebbe trasportare così tanto carburante che il peso del carburante richiederebbe più carburante, e così via. Al contrario, un razzo con alto impulso specifico ma bassa spinta non lascerebbe mai la terra. (Tali razzi funzionano bene nello spazio, però, dove una spinta costante è sufficiente.)

Un motore a razzo, molto simile al motore di un aereo a reazione, brucia il carburante insieme a un ossidante – spesso ossigeno – per creare gas caldo che si espande verso il basso e fuori dall’ugello del motore, accelerando il motore dall’altra parte. A differenza dei motori a reazione, che ottengono l’ossigeno dall’aria che li circonda, i razzi devono trasportare il proprio ossigeno (o altro ossidante), poiché nello spazio, ovviamente, non ce n’è. Come i jet, i razzi hanno bisogno di un modo per forzare il carburante e l’ossigeno nella camera di combustione ad alta pressione; a parità di condizioni, una pressione più alta significa prestazioni migliori. Per fare questo, i razzi usano turbopompe che girano a centinaia di giri al secondo. Le turbopompe sono azionate da turbine, e queste, a loro volta, sono alimentate da pre-bruciatori, che allo stesso modo bruciano un po’ di carburante e ossigeno.

La differenza cruciale tra i motori a combustione graduale come l’RD-180 e i motori con generatore a gas come il Saturn’s F-1 sta in ciò che accade allo scarico di questi pre-bruciatori. Mentre i motori a gas generatori lo scaricano in mare, i motori a combustione graduale lo reiniettano nella camera di combustione principale. Una ragione per farlo è che lo scarico contiene combustibile e ossigeno inutilizzati – i pre-bruciatori non possono bruciarlo tutto. Gettarlo via è uno spreco, il che è importante in un razzo che deve anche sollevare ogni chilo di combustibile e ossigeno che userà. Ma reiniettare i gas di scarico comporta un delicato bilanciamento delle pressioni e delle portate in modo che i motori non esplodano. Richiede tutta una serie di turbopompe per farlo funzionare. Squadre di esperti hanno tipicamente bisogno di un decennio o più di simulazioni e test per capire come farlo bene.

L’RD-170 e RD-180 hanno un altro vantaggio. Sono ricchi di ossigeno, il che significa esattamente quello che sembra: iniettano ossigeno extra nel sistema. (Il motore principale dello Space Shuttle, al contrario, è un motore ricco di carburante). I motori ricchi di ossigeno tendono a bruciare in modo più pulito e ad accendersi più facilmente. Rendono anche possibili pressioni di camera di combustione più elevate, e quindi migliori prestazioni – ma sono più inclini a esplodere, quindi per decenni non ci sono stati grandi sforzi per farli funzionare negli Stati Uniti. “C’era così tanto investito nello shuttle che nessuno alla NASA voleva parlare di sviluppare un motore a combustione graduale ricco di ossigeno”, dice Anderson. “L’ossigeno brucia la maggior parte delle cose se si fornisce una scintilla”. Questo richiede una grande cura nei materiali utilizzati per costruire il motore, e una cura ancora maggiore nell’assicurarsi che nessun materiale estraneo – come i granelli di detriti metallici – si faccia mai strada al suo interno. “Più impariamo sulla fisica di ciò che accade all’interno di una camera di combustione, più ci rendiamo conto di quanto sia davvero instabile”, dice Anderson.

Se l’RD-170 era probabilmente il miglior motore a razzo della sua generazione, il motore principale dello Space Shuttle era probabilmente il secondo migliore (ed era sostanzialmente più costoso da realizzare). Nessuno dei due è stato all’altezza del suo potenziale. Il motore della navetta spaziale è stato bloccato con un veicolo che era molto più ingombrante di quanto i suoi progettisti avessero sperato che fosse. L’RD-170, d’altra parte, volò solo due volte: una nel 1987 e una nel 1988. Sebbene il suo sviluppo fosse stato una priorità nazionale, quando Glushko dimostrò che funzionava, l’Unione Sovietica stava per cadere a pezzi.

Gli anni ’90 furono un periodo turbolento in Russia, specialmente per il programma spaziale. Per sopravvivere senza i finanziamenti del governo, le aziende aerospaziali appena privatizzate si rivolsero al mercato commerciale.

Ecco quando Jim Sackett, un ingegnere che aveva lavorato per Lockheed al Johnson Space Center della NASA a Houston, si trasferì a Mosca. Lockheed si interessò all’uso della combustione graduale ricca di ossigeno per alimentare la prossima generazione di razzi Atlas, con i quali intendeva competere per i contratti dell’Air Force e della NASA.

Sackett, che fu messo a capo dell’ufficio moscovita della Lockheed, fu incaricato di avvicinare Energomash, una società post-sovietica dell’industria spaziale che venne a possedere l’RD-170 e la relativa tecnologia dei motori. Energomash accolse con entusiasmo l’interesse di Lockheed. Ma l’RD-170 era troppo potente: i razzi Atlas che Lockheed voleva mandare nello spazio erano considerevolmente più piccoli dell’Energia, per il quale l’RD-170 era stato progettato. Così Energomash ha essenzialmente tagliato il motore a metà: l’azienda ha elaborato una proposta per un derivato a due camere dell’RD-170 a quattro camere che potrebbe essere usato nell’Atlas. Questa fu la nascita dell’RD-180.

La relazione richiedeva una notevole integrazione tra gli appaltatori militari-industriali russi e americani. Lockheed creò un ufficio all’Energomash, in un sobborgo di Mosca. Era un’operazione enorme, ricorda Sackett. “Hanno un impianto di metallurgia lì, quindi forgiano i propri metalli”, dice. “Hanno tutte le loro officine meccaniche, tutte le loro strutture di prova. C’è un sacco di roba, tutta sotto lo stesso tetto. E alla fine, tutto questo si trasforma in un motore a razzo.”

Ci è voluto circa un anno di riunioni tecniche quotidiane e approfondite tra la squadra di Sackett e i dirigenti e gli ingegneri di Energomash per capire se gli acquisti proposti di motori RD-180 avrebbero funzionato o meno. Lockheed voleva un piccolo accordo senza impegno. Energomash voleva un accordo a lungo termine. Il contratto è stato firmato alla fine di una maratona di sei ore nel 1996, dice Sackett. Il risultato: un accordo da 101 motori e un miliardo di dollari.

La US Air Force, il principale cliente della Lockheed, ha richiesto l’accesso a 10 tecnologie chiave necessarie per produrre l’RD-180, nel caso le relazioni con la Russia fossero naufragate e l’America avesse dovuto produrre i motori da sola. Era una grande richiesta. Gli Stati Uniti volevano un gioiello della corona della tecnologia spaziale sovietica, e il governo russo non era entusiasta. “Ma non vedevano alternative”, dice Sackett, “perché il paese non ha semplicemente cambiato idea, è andato in bancarotta. Andarono semplicemente in bancarotta. Questo è il modo in cui hanno salvato l’azienda.”

Anche se è stata prestata maggiore attenzione alla cooperazione russo-americana sulla Stazione Spaziale Internazionale, per molti aspetti la collaborazione RD-180 è stata più profonda. Dopo tutto, la stazione spaziale non è cruciale per la sicurezza nazionale di nessuno dei due paesi, mentre i satelliti di ricognizione e comunicazione lo sono.

Ora che le relazioni tra i due paesi si sono sfilacciate, sostiene Sackett, gli Stati Uniti potrebbero semplicemente produrre l’RD-180 in casa. I critici del motore dicono che sarebbe astronomicamente costoso farlo. Ma il costo “non dovrebbe essere astronomico! dice Sackett. “Abbiamo persone intelligenti qui, e abbiamo la ricetta! Questo è esattamente il motivo per cui abbiamo identificato e negoziato per quelle 10 tecnologie di produzione chiave, in modo da poter prendere i disegni e le note e poi andare a costruirli.”

Questo non è probabile che accada, in parte perché dopo decenni di stagnazione, le aziende americane stanno finalmente lavorando su motori che potrebbero essere migliori dell’RD-180.

Le prestazioni di un motore hanno una profonda influenza sulla progettazione del razzo sopra di esso. Così, quando il Congresso ha ordinato che l’Air Force smettesse di usare l’RD-180, questo ha provocato una competizione non solo per un nuovo motore, ma per un intero nuovo razzo. Una tale competizione era inevitabile – dopo tutto, i progetti non durano per sempre. Ma poiché progettare nuovi motori e razzi è costoso e richiede tempo, il momento di fare un cambiamento è sempre politicamente controverso. Il divieto di RD-180 imposto dal Congresso ha forzato la questione.

Ci sono quattro contendenti seri per costruire quel nuovo razzo: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (una joint venture Boeing-Lockheed Martin conosciuta con le sue iniziali, ULA), e Northrop Grumman. Due di loro saranno scelti, sulla teoria che avere due vincitori crea una competizione continua, mentre nominarne uno risulterebbe in un monopolio che potrebbe poi girarsi e colpire l’Air Force. Migliaia di posti di lavoro sono in gioco: se ULA perde, potrebbe fallire.

Il New Glenn, la voce di Blue Origin nella competizione, utilizza il BE-4, il motore più nuovo e potente di Blue Origin. (Come il razzo di ULA, le due aziende sono contemporaneamente concorrenti e partner commerciali). I progetti sia del BE-4 che del Raptor di SpaceX sono informati in modi cruciali dall’RD-180. Il BE-4 è un motore a combustione graduale ricco di ossigeno, come l’RD-170 e l’RD-180. Il Raptor, nel frattempo, assomiglia all’RD-180 in quanto alimenta lo scarico del pre-bruciatore nella camera di combustione, assicurando che quasi tutto il combustibile e l’ossidante immagazzinati nei serbatoi del razzo siano utilizzati per generare la spinta. Tuttavia, il Raptor si basa su una modifica dell’approccio di Glushko: sia i flussi ricchi di carburante che quelli ricchi di ossidante alimentano le sue turbopompe – teoricamente con conseguente massima efficienza.

In un certo senso, il BE-4 e Raptor sono come un tentativo di costruire un violino migliore di quello di Stradivari, utilizzando metodi moderni. Blue Origin e SpaceX hanno accesso a una diagnostica migliore e a tecniche di simulazione più sofisticate di quelle di Glushko. Hanno anche un’altra caratteristica progettuale importante per l’aeronautica americana: sono fatti negli Stati Uniti.

Possibilmente il più grande vantaggio tecnico che questi nuovi motori hanno rispetto all’RD-180 è che usano il metano come carburante piuttosto che il cherosene, come fa l’RD-180. Il kerosene può impastare i lavori di un motore dopo un uso ripetuto. Il metano ha un impulso specifico più alto, e brucia in modo più pulito. È anche molto più facile (in linea di principio) da sintetizzare su Marte, cosa che Musk mira a fare.

Nessuno dei due nuovi motori ha ancora raggiunto l’orbita. SpaceX sta pianificando voli di prova del suo razzo Starhopper, che alla fine sarà alimentato da tre Raptor, per questa estate. Questi voli saranno brevi salti, poche migliaia di piedi in aria sopra il sito di prova di SpaceX in Texas. Blue Origin sta anche testando il BE-4 in Texas, e ha iniziato a costruire una fabbrica in Alabama dove produrrà i motori. Ha affittato il Launch Complex 36, dove l’RD-180 ha preso il volo per la prima volta, dall’Air Force e prevede di lanciare il New Glenn lì nel 2021.

Energomash, nel frattempo, sta disperatamente sperando che il programma spaziale russo ricominci ad usare i suoi motori. Circa il 90% della sua produzione è andato negli Stati Uniti negli ultimi anni, dice Pavel Luzin, un analista russo dell’industria spaziale. Come le sue controparti americane, Energomash rischia ora di essere resa obsoleta da Musk e Bezos che, con la loro libertà dai vincoli di progettazione ereditati e la volontà di spendere soldi e prendere rischi, hanno finalmente scosso la progettazione dei motori a razzo fuori da decenni di stasi.