RD-180 jest niezwykły nie tylko ze względu na geopolityczne osobliwości jego wzrostu do rangi, ale dlatego, że pod wieloma względami był po prostu lepszy niż jakikolwiek inny silnik rakietowy swoich czasów. Kiedy w lutym 2019 roku Elon Musk ogłosił udany test silnika Raptor firmy SpaceX, który ma napędzać kolejną generację rakiety Starship tej firmy, chwalił się wysokim ciśnieniem osiągniętym w komorze ciągu Raptora: ponad 265-krotność ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza. Raptor, powiedział na Twitterze, przekroczył rekord utrzymywany przez kilka dekad przez „niesamowity rosyjski RD-180.”

Po tym, jak Rosja zaanektowała Krym w 2014 roku, dni RD-180 jako podstawy amerykańskiej rakiety były policzone. Jastrzębie obronne od dawna nie czuły się komfortowo z tym układem, ale silnik był zarówno bardzo dobry, jak i, biorąc pod uwagę jego możliwości, tani – więc pozostał. Jednak w miarę jak stosunki z Rosją stawały się coraz bardziej napięte, kongresowi przeciwnicy silnika, z senatorem Johnem McCainem na czele, zdołali uchwalić zakaz używania silnika w amerykańskich rakietach po 2022 roku. Zmusiło to Siły Powietrzne do znalezienia nowej rakiety, która zastąpi napędzanego RD-180 Atlasa 5.

Wszystko to rodzi pytanie: Jak kilkudziesięcioletni rosyjski silnik stał się poprzeczką, z którą mierzą się najlepsi amerykańscy naukowcy zajmujący się rakietami?

Jeśli chcesz zrozumieć, co sprawiło, że RD-180 jest tak dobrym silnikiem, pomocne jest zrozumienie, że jest w to zaangażowane wiele rzemiosła. Chociaż setki ludzi współpracują nad silnikami rakietowymi, posiadanie kogoś z instynktem dobrego projektu jest niezbędne: kompromisy są zbyt złożone, aby można je było rozgryźć przy użyciu brutalnej siły lub przez komitet. W przypadku RD-180 tym kimś był Walentin Głuszko.

Po tym, jak ZSRR przegrał z Ameryką w wyścigu na Księżyc, zaprojektowanie najlepszego możliwego silnika rakietowego stało się „narodowym priorytetem”, jak twierdzi Wadim Łukaszewicz, inżynier lotniczy i historyk rosyjskiego kosmosu. Radzieccy przywódcy chcieli zbudować najpotężniejszą na świecie rakietę Energia, aby utrzymać stacje kosmiczne na orbicie okołoziemskiej i wynieść na orbitę Buran, niedoszły rosyjski prom kosmiczny. Głuszko otrzymał środki, aby zbudować najlepszy silnik, jaki tylko mógł, a był w tym dobry. Rezultatem był RD-170, starszy brat RD-180.

Rad-170 był jednym z pierwszych silników rakietowych wykorzystujących technikę zwaną etapowym spalaniem. Innym był główny silnik amerykańskiego promu kosmicznego, również opracowany w latach 70-tych. Dla porównania, silniki F-1 w pierwszym stopniu rakiety Saturn V, która wystrzeliła Apollo na Księżyc, były starszej, prostszej konstrukcji, zwanej silnikiem gazowo-generatorowym. Kluczowa różnica: silniki o spalaniu etapowym mogą być bardziej wydajne, ale są bardziej narażone na eksplozję. Jak wyjaśnia William Anderson, który bada silniki rakietowe napędzane paliwem ciekłym na Uniwersytecie Purdue, „Szybkość uwalniania energii jest po prostu ekstremalna”. Potrzeba kogoś z naprawdę bystrą wyobraźnią, mówi Anderson, aby zrozumieć szalone rzeczy, które dzieją się wewnątrz komór spalania silników rakietowych. W Rosji tą bystrą osobą był Glushko.

„Było tak wiele zainwestowane w wahadłowce, że nikt w NASA nie chciał rozmawiać o rozwoju bogatego w tlen silnika o stopniowym spalaniu … Tlen spali większość rzeczy, jeśli dostarczysz iskrę.”

Aby zrozumieć, dlaczego silniki Głuszko były takim osiągnięciem inżynieryjnym, musimy się trochę podszkolić.

Istnieją dwie kluczowe miary wydajności rakiety: ciąg, czyli ilość siły, jaką wywiera rakieta, oraz impuls właściwy, czyli miara tego, jak efektywnie wykorzystuje ona swoje materiały pędne. Rakieta z dużym ciągiem, ale niskim impulsem właściwym nie osiągnie orbity – musiałaby zabrać ze sobą tyle paliwa, że waga paliwa wymagałaby więcej paliwa, i tak dalej. I odwrotnie, rakieta z wysokim impulsem właściwym, ale niskim ciągiem nigdy nie oderwie się od ziemi. (Takie rakiety działają dobrze w przestrzeni kosmicznej, chociaż, gdzie wystarczy stałe pchanie.)

Silnik rakietowy, podobnie jak silnik odrzutowy samolotu, spala paliwo razem z utleniaczem – często tlenem – tworząc gorący gaz, który rozszerza się w dół i z dyszy silnika, przyspieszając silnik w drugą stronę. W przeciwieństwie do silników odrzutowych, które pobierają tlen z otaczającego je powietrza, rakiety muszą posiadać własny tlen (lub inny utleniacz), ponieważ w przestrzeni kosmicznej oczywiście go nie ma. Podobnie jak silniki odrzutowe, rakiety potrzebują sposobu, aby wtłoczyć paliwo i tlen do komory spalania pod wysokim ciśnieniem; przy założeniu, że wszystko inne jest takie samo, wyższe ciśnienie oznacza lepsze osiągi. Aby tego dokonać, rakiety używają turbopomp, które obracają się z prędkością setek obrotów na sekundę. Turbopompy są napędzane przez turbiny, a te z kolei są zasilane przez dopalacze, które również spalają trochę paliwa i tlenu.

Kluczowa różnica między silnikami o stopniowym spalaniu, takimi jak RD-180, a silnikami gazowo-generatorowymi, takimi jak F-1 Saturna, leży w tym, co dzieje się ze spalinami z tych dopalaczy. Podczas gdy silniki gazowo-generatorowe wyrzucają je za burtę, silniki o stopniowym spalaniu ponownie wtłaczają je do głównej komory spalania. Jednym z powodów takiego postępowania jest fakt, że spaliny zawierają niewykorzystane paliwo i tlen – dopalacze nie są w stanie spalić ich w całości. Wyrzucenie go jest marnotrawstwem, co ma znaczenie w rakiecie, która musi unieść każdy funt paliwa i tlenu, który ma zamiar wykorzystać. Ale ponowne wstrzyknięcie spalin pociąga za sobą konieczność delikatnego zrównoważenia odpowiednich ciśnień i prędkości przepływu, tak by silniki nie wybuchały. Wymaga to całej serii turbopomp, aby to zadziałało. Zespoły ekspertów zazwyczaj potrzebują dekady lub więcej symulacji i testów, aby dowiedzieć się, jak to zrobić dobrze.

RD-170 i RD-180 mają jeszcze jedną zaletę. Są one bogate w tlen, co oznacza dokładnie to, na co wygląda: wtłaczają dodatkowy tlen do systemu. (Dla kontrastu, główny silnik promu kosmicznego jest silnikiem bogatym w paliwo.) Silniki bogate w tlen mają tendencję do czystszego spalania i łatwiejszego zapłonu. Umożliwiają one również uzyskanie wyższego ciśnienia w komorze spalania, a tym samym lepszych osiągów – są jednak bardziej podatne na eksplozje, więc przez dziesięciolecia nie podejmowano żadnych poważnych wysiłków, aby wprowadzić je do użytku w USA. „Tak wiele inwestowano w wahadłowce, że nikt w NASA nie chciał rozmawiać o opracowaniu bogatego w tlen silnika o stopniowym spalaniu” – mówi Anderson. „Tlen spali większość rzeczy, jeśli tylko dostarczysz iskrę”. Wymaga to wielkiej staranności w materiałach użytych do budowy silnika, a jeszcze większej w upewnieniu się, że żadne obce materiały – takie jak drobiny metalowych odłamków – nigdy się do niego nie dostaną. „Im więcej dowiadujemy się o fizyce tego, co dzieje się wewnątrz komory spalania, tym bardziej zdajemy sobie sprawę z tego, jak niestabilna jest ona naprawdę” – mówi Anderson.

Jeśli RD-170 był prawdopodobnie najlepszym silnikiem rakietowym swojej generacji, główny silnik promu kosmicznego był prawdopodobnie drugim najlepszym (i był znacznie droższy w produkcji). Żaden z nich nie spełnił swojego potencjału. Silnik promu kosmicznego był przyklejony do pojazdu, który był znacznie bardziej kłopotliwy niż zakładali jego projektanci. Z kolei RD-170 poleciał tylko dwa razy: raz w 1987 i raz w 1988 roku. Choć jego rozwój był narodowym priorytetem, zanim Głuszko udowodnił, że działa, Związek Radziecki był bliski rozpadu.

Lata 90. były w Rosji burzliwym okresem, zwłaszcza dla programu kosmicznego. Aby przetrwać bez finansowania rządowego, nowo sprywatyzowane firmy lotnicze zwróciły się ku rynkowi komercyjnemu.

Wtedy właśnie Jim Sackett, inżynier, który pracował dla Lockheeda w Johnson Space Center NASA w Houston, przeniósł się do Moskwy. Lockheed zainteresował się wykorzystaniem etapowego spalania bogatego w tlen do napędu następnej generacji rakiet Atlas, z którymi zamierzał konkurować o kontrakty dla Sił Powietrznych i NASA.

Sackett, któremu powierzono kierowanie moskiewskim biurem Lockheeda, został poproszony o skontaktowanie się z Energomaszem, postsowiecką firmą z branży kosmicznej, która weszła w posiadanie RD-170 i związanej z nim technologii silników. Energomasz entuzjastycznie przyjął zainteresowanie Lockheeda. Ale RD-170 był zbyt mocny: rakiety Atlas, które Lockheed chciał wysłać w kosmos, były znacznie mniejsze niż Energia, dla której RD-170 został zaprojektowany. Energomasz zasadniczo skrócił więc silnik o połowę – firma przygotowała propozycję dwukomorowej pochodnej czterokomorowego RD-170, która mogłaby być użyta w Atlasie. Tak narodził się RD-180.

Związek ten wymagał niezwykłej integracji między rosyjskimi i amerykańskimi wykonawcami wojskowo-przemysłowymi. Lockheed założył biuro w Energomaszu, na przedmieściach Moskwy. To była ogromna operacja, wspomina Sackett. „Mają tam zakład metalurgiczny, więc wykuwają własne metale”, mówi. „Mają wszystkie swoje własne warsztaty maszynowe, wszystkie swoje własne urządzenia testowe. To bardzo dużo rzeczy, a wszystko to pod jednym dachem. I w końcu wszystko to zamienia się w silnik rakietowy”

Trzeba było około roku codziennych, dogłębnych spotkań technicznych pomiędzy zespołem Sacketta a kierownictwem i inżynierami Energomaszu, aby zrozumieć, czy proponowany zakup silników RD-180 zadziała, czy też nie. Lockheed chciał małej, niezobowiązującej umowy. Energomasz dążył do długoterminowego porozumienia. Kontrakt został podpisany pod koniec maratonu sześciu godzin sesji w 1996 roku, mówi Sackett. Rezultat: umowa na 101 silników, warta miliard dolarów.

US Air Force, główny klient Lockheeda, zażądał dostępu do 10 kluczowych technologii potrzebnych do produkcji RD-180, na wypadek gdyby stosunki z Rosją się załamały i Ameryka musiałaby sama produkować silniki. To była wielka prośba. USA chciały zdobyć klejnot w koronie radzieckiej technologii kosmicznej, a rząd rosyjski nie był zachwycony. „Ale nie widzieli innego wyjścia” – mówi Sackett – „ponieważ kraj nie tylko zmienił zdanie, ale wręcz splajtował. Po prostu byli kompletnie spłukani. W ten sposób uratowali firmę.”

Chociaż więcej uwagi poświęcono amerykańsko-rosyjskiej współpracy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pod wieloma względami współpraca RD-180 sięgała głębiej. Po tym wszystkim, stacja kosmiczna nie jest kluczowa dla bezpieczeństwa narodowego żadnego z krajów, podczas gdy satelity zwiadowcze i komunikacyjne są.

Teraz, gdy stosunki między dwoma krajami zostały zerwane, Sackett argumentuje, że Stany Zjednoczone mogłyby po prostu produkować RD-180 w kraju. Krytycy tego silnika twierdzą, że byłoby to astronomicznie drogie. Ale koszty „nie powinny być astronomiczne!” mówi Sackett. „Mamy tu mądrych ludzi i mamy receptę! Właśnie dlatego zidentyfikowaliśmy i wynegocjowaliśmy te 10 kluczowych technologii produkcyjnych, abyśmy mogli wziąć rysunki i notatki, a następnie je zbudować.”

Nie jest to prawdopodobne, częściowo dlatego, że po dekadach stagnacji amerykańskie firmy w końcu pracują nad silnikami, które po prostu mogą być lepsze niż RD-180.

Wydajność silnika ma głęboki wpływ na projekt rakiety nad nim. Tak więc kiedy Kongres nakazał Siłom Powietrznym zaprzestanie używania RD-180, wywołało to konkurs nie tylko na nowy silnik, ale na zupełnie nową rakietę. Taka konkurencja była nieunikniona – w końcu projekty nie trwają wiecznie. Ale ponieważ projektowanie nowych silników i rakiet jest kosztowne i czasochłonne, czas na zmianę jest zawsze politycznie kontrowersyjny. Kongresowo usankcjonowany zakaz RD-180 wymusił tę kwestię.

Jest czterech poważnych pretendentów do budowy tej nowej rakiety: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (spółka joint venture Boeing-Lockheed Martin znana pod swoimi inicjałami, ULA) i Northrop Grumman. Wybranych zostanie dwóch z nich, zgodnie z teorią, że posiadanie dwóch zwycięzców stwarza ciągłą konkurencję, podczas gdy wskazanie jednego spowodowałoby powstanie monopolu, który mógłby następnie odwrócić się i wyłudzić pieniądze od Sił Powietrznych. Tysiące miejsc pracy są zagrożone: jeśli ULA przegra, może zniknąć z rynku.

New Glenn, zgłoszenie Blue Origin do konkursu, wykorzystuje BE-4, najnowszy i najpotężniejszy silnik Blue Origin. (Podobnie jak rakieta ULA – obie firmy są jednocześnie konkurentami i partnerami biznesowymi). Projekty zarówno BE-4 jak i Raptora SpaceX są w znacznym stopniu oparte na RD-180. BE-4 jest bogatym w tlen silnikiem o stopniowym spalaniu, podobnie jak RD-170 i RD-180. Raptor natomiast przypomina RD-180 w tym sensie, że doprowadza spaliny z przedpalnika do komory spalania – zapewniając, że prawie całe paliwo i utleniacz zgromadzone w zbiornikach rakiety są wykorzystywane do generowania ciągu. Jednak Raptor opiera się na podejściu Glushko: zarówno przepływy bogate w paliwo, jak i utleniacz zasilają jego turbopompy – teoretycznie skutkując maksymalną wydajnością.

W pewnym sensie, BE-4 i Raptor są jak próba zbudowania lepszych skrzypiec niż zrobił to Stradivarius, przy użyciu nowoczesnych metod. Blue Origin i SpaceX mają dostęp do lepszej diagnostyki i bardziej zaawansowanych technik symulacyjnych niż Glushko. Mają też inną cechę konstrukcyjną ważną dla amerykańskich sił powietrznych: są produkowane w USA.

Prawdopodobnie największą zaletą techniczną tych nowych silników w stosunku do RD-180 jest to, że używają metanu jako paliwa, a nie nafty, jak RD-180. Nafta może zatruć pracę silnika po wielokrotnym użyciu. Metan ma wyższy impuls właściwy, i spala się czyściej. Jest także znacznie łatwiejszy (w zasadzie) do syntezy na Marsie, co Musk zamierza zrobić.

Żaden z nowych silników nie dotarł jeszcze na orbitę. SpaceX planuje tego lata loty testowe swojej rakiety Starhopper, która docelowo będzie napędzana trzema Raptorami. Będą to krótkie loty, kilka tysięcy stóp w powietrzu nad terenem testowym SpaceX w Teksasie. Blue Origin testuje także BE-4 w Teksasie i rozpoczął budowę fabryki w Alabamie, w której będzie produkował silniki. Wynajęła Launch Complex 36, gdzie RD-180 po raz pierwszy odbył lot, od Sił Powietrznych i planuje wystrzelić tam New Glenn w 2021 roku.

Energomash, w międzyczasie, ma rozpaczliwą nadzieję, że rosyjski program kosmiczny ponownie zacznie używać swoich silników. Około 90% jego produkcji trafiło w ostatnich latach do USA, mówi Paweł Łuzin, rosyjski analityk przemysłu kosmicznego. Podobnie jak jego amerykańskie odpowiedniki, Energomasz ryzykuje, że stanie się przestarzały za sprawą Muska i Bezosa, którzy dzięki swojej wolności od ograniczeń projektowych, gotowości do wydawania pieniędzy i podejmowania ryzyka, wreszcie wyrwali konstrukcje silników rakietowych z trwającego od dziesięcioleci zastoju.

.