O RD-180 é notável não só pelas peculiaridades geopolíticas da sua ascensão à notoriedade, mas também porque, em muitos aspectos, era simplesmente melhor do que qualquer outro motor de foguetão da sua época. Quando, em fevereiro de 2019, Elon Musk anunciou um teste bem sucedido do motor Raptor do SpaceX, que se destina a alimentar a nave espacial da próxima geração da empresa, ele se gabou das altas pressões alcançadas na câmara de impulso do Raptor: mais de 265 vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. O Raptor, disse ele no Twitter, superou o recorde mantido durante várias décadas pelo “fantástico RD-180 russo”
Após a Rússia anexar a Crimeia em 2014, os dias do RD-180 como um grampo da fogueteria americana foram contados. Os falcões da defesa há muito que se sentiam desconfortáveis com o arranjo, mas o motor era muito bom e, dada a sua capacidade, barato – e assim permaneceu. Mas como as relações com a Rússia se desgastaram, os oponentes do Congresso ao motor, liderados pelo senador John McCain, conseguiram passar uma proibição do uso do motor em foguetes americanos após o final de 2022. Isto forçou a Força Aérea a encontrar um novo foguetão para suceder ao Atlas RD-180, 5.
O que levanta uma questão: Como é que um motor russo de décadas se tornou a barra contra a qual os melhores cientistas americanos se medem?
Se quiser compreender o que fez o RD-180 um motor tão bom, ajuda a compreender que há uma grande quantidade de embarcações envolvidas. Embora centenas de pessoas colaborem em motores de foguetes, ter alguém com um instinto de bom design no comando é vital: as contrapartidas são demasiado complexas para serem percebidas pela força bruta ou por comitê. No caso do RD-180, esse alguém foi chamado Valentin Glushko.
Após a perda da URSS para a América na corrida para a lua, projetar o melhor motor de foguete possível tornou-se “uma prioridade nacional”, segundo Vadim Lukashevich, engenheiro aeroespacial e historiador espacial russo. Os líderes soviéticos queriam construir o foguete mais poderoso do mundo, o Energia, para manter suas estações espaciais na órbita da Terra e para levantar o Buran, um aspirante a ônibus espacial russo. Glushko recebeu recursos para construir o melhor motor que podia, e era bom a construir motores. O resultado foi o RD-170, o irmão mais velho do RD-180.
O RD-170 esteve entre os primeiros motores de foguetes a utilizar uma técnica chamada combustão por fases. O motor principal do ônibus espacial americano, também desenvolvido na década de 1970, foi outro. Em contraste, os motores F-1 na primeira etapa do foguete Saturn V, que lançou o Apollo à lua, eram de um desenho mais antigo e mais simples chamado de motor gerador a gás. A principal diferença: os motores de combustão por fases podem ser mais eficientes, mas correm maior risco de explodir. Como William Anderson, que estuda motores de foguete alimentados por líquidos na Universidade Purdue, explica: “As taxas de liberação de energia são simplesmente extremas”. É preciso alguém com uma imaginação realmente astuta, diz Anderson, para entender as loucuras que acontecem dentro das câmaras de combustão dos motores de foguetões. Na Rússia, essa pessoa astuta foi Glushko.
“Houve tanto investimento no vaivém que ninguém na NASA quis falar sobre o desenvolvimento de um motor de combustão encenado rico em oxigénio… O oxigénio vai queimar a maioria das coisas se você fornecer uma faísca.”
Para entender por que os motores Glushko foram uma conquista de engenharia tão grande, precisamos de ser um pouco técnicos.
Existem duas medidas chave do desempenho de um foguete: o impulso, ou a quantidade de força que um foguete exerce, e o impulso específico, uma medida da eficiência com que utiliza os seus propulsores. Um foguete com alto impulso mas baixo impulso específico não chegará à órbita – teria de transportar tanto combustível que o peso do combustível exigiria mais combustível, e assim por diante. Por outro lado, um foguete com alto impulso específico, mas baixo impulso nunca sairia do solo. (Mas tais foguetes funcionam bem no espaço, onde um impulso constante é suficiente.)
Um motor de foguetão, tal como um motor a jacto de avião, queima combustível juntamente com um oxidador – amiúde oxigénio – para criar um gás quente que se expande para baixo e para fora do bocal do motor, acelerando o motor da outra forma. Ao contrário dos motores a jacto, que obtêm oxigénio do ar à sua volta, os foguetes precisam de transportar o seu próprio oxigénio (ou outro oxidante), uma vez que no espaço, claro, não existe nenhum. Como os jatos, os foguetes precisam de uma maneira de forçar o combustível e o oxigênio para dentro da câmara de combustão a alta pressão; sendo tudo o resto igual, uma pressão mais alta significa melhor desempenho. Para isso, os foguetes usam turbobombas que giram a centenas de rotações por segundo. As turbobombas são acionadas por turbinas e, por sua vez, são acionadas por pré-combustões, que também queimam algum combustível e oxigênio.
A diferença crucial entre motores de combustão escalonada como o RD-180 e motores geradores de gás como o F-1 de Saturno reside no que acontece com o escapamento desses pré-combustões. Enquanto os motores dos geradores a gás despejam-no borda fora, os motores de combustão faseada reinjectam-no na câmara de combustão principal. Uma razão para fazer isto é que o escape contém combustível e oxigénio não utilizados – os pré-combustores não podem queimar tudo. Jogá-lo fora é um desperdício, o que importa em um foguete que também tem que levantar cada quilo de combustível e oxigênio que ele vai usar. Mas reinjectar o escape implica equilibrar delicadamente as pressões e taxas de fluxo relevantes, para que os motores não expludam. É necessária toda uma série de turbobombas para que funcione. Equipes de especialistas normalmente precisam de uma década ou mais de simulação e testes para descobrir como fazê-lo corretamente.
O RD-170 e o RD-180 têm outra vantagem. Eles são ricos em oxigênio, o que significa exatamente o que parece: eles injetam oxigênio extra no sistema. (O motor principal do ônibus espacial, pelo contrário, é um motor rico em combustível.) Os motores ricos em oxigênio tendem a queimar mais limpo e a inflamar mais facilmente. Eles também possibilitam maiores pressões de combustão-câmara e, portanto, melhor desempenho – mas são mais propensos a explodir, por isso, durante décadas não houve grandes esforços para fazê-los funcionar nos EUA. “Houve tanto investimento no vaivém que ninguém na NASA quis falar sobre o desenvolvimento de um motor de combustão por fases rico em oxigénio”, diz Anderson. “O oxigénio vai queimar a maioria das coisas se você fornecer uma faísca.” Isto requer muito cuidado nos materiais usados para construir o motor, e ainda mais cuidado para garantir que nenhum material estranho – como partículas de detritos metálicos – jamais entre no motor. “Quanto mais aprendemos sobre a física do que acontece dentro de uma câmara de combustão, mais percebemos o quão instável ele realmente é”, diz Anderson.
Se o RD-170 foi sem dúvida o melhor motor de foguetão de sua geração, o motor principal do ônibus espacial foi sem dúvida o segundo melhor (e foi substancialmente mais caro de fazer). Nenhum dos dois atingiu o seu potencial. O motor do vaivém espacial estava preso com um limão de um veículo, que era muito mais pesado do que os seus designers esperavam que fosse. O RD-170, por outro lado, voou apenas duas vezes: uma em 1987 e outra em 1988. Embora o seu desenvolvimento tivesse sido uma prioridade nacional, quando Glushko provou que funcionava, a União Soviética estava prestes a desmoronar-se.
Os anos 90 foram um período turbulento na Rússia, especialmente para o programa espacial. Para sobreviver sem financiamento governamental, as empresas aeroespaciais recém privatizadas voltaram-se para o mercado comercial.
Foi quando Jim Sackett, um engenheiro que trabalhava para a Lockheed no Johnson Space Center da NASA, em Houston, se mudou para Moscou. A Lockheed ficou interessada em usar combustão encenada rica em oxigênio para alimentar a próxima geração de foguetes Atlas, com os quais planejava competir pelos contratos da Força Aérea e da NASA.
Sackett, que ficou a cargo do escritório da Lockheed em Moscou, foi escolhida para se aproximar da Energomash, uma empresa da indústria espacial pós-soviética que veio a ser proprietária do RD-170 e da tecnologia de motores relacionada. A Energomash acolheu entusiasticamente o interesse da Lockheed. Mas o RD-170 era demasiado potente: os foguetes Atlas que a Lockheed pretendia enviar para o espaço eram consideravelmente mais pequenos do que a Energia, para a qual o RD-170 tinha sido concebido. Assim, a Energomash essencialmente cortou o motor em metade – a empresa elaborou uma proposta para um derivado de duas câmaras do RD-170 de quatro câmaras que poderia ser usado no Atlas. Este foi o nascimento do RD-180.
A relação exigia uma notável integração entre os empreiteiros militares russos e americanos-industriais. A Lockheed montou um escritório em Energomash, em um subúrbio de Moscou. Foi uma operação enorme, Sackett lembra-se. “Eles têm uma fábrica de metalurgia lá, então eles forjam seus próprios metais”, diz ele. “Eles têm todas as suas próprias oficinas mecânicas, todas as suas próprias instalações de testes. É um monte de coisas, tudo sob o mesmo teto. E, eventualmente, tudo se transforma num motor de foguetão”
Foi preciso cerca de um ano de reuniões técnicas diárias e aprofundadas entre a equipa da Sackett e os executivos e engenheiros da Energomash para compreender se as compras propostas de motores RD-180 funcionariam ou não. A Lockheed queria um acordo pequeno e sem compromisso. A Energomash fez um acordo de longo prazo. O contrato foi assinado no final de uma maratona de seis horas em 1996, diz Sackett. O resultado: um acordo de 101 motores, bilhões de dólares.
A Força Aérea Americana, o principal cliente da Lockheed, exigiu acesso a 10 tecnologias-chave necessárias para produzir o RD-180, no caso das relações com a Rússia alguma vez terem sido naufragadas e os próprios Estados Unidos terem de fazer os motores. Foi um grande pedido. Os EUA estavam atrás de uma jóia da coroa da tecnologia espacial soviética, e o governo russo não estava entusiasmado. Mas eles não viram alternativa”, diz Sackett, “porque o país não só mudou de opinião, como ficou falido”. Eles simplesmente ficaram sem dinheiro. Foi assim que eles salvaram a empresa”
Pois foi dada mais atenção à cooperação americano-russa na Estação Espacial Internacional, em muitos aspectos a colaboração RD-180 foi mais profunda. Afinal, a estação espacial não é crucial para a segurança nacional de nenhum dos dois países, enquanto os satélites de reconhecimento e comunicações são.
Agora que as relações entre os dois países se desgastaram, argumenta Sackett, os EUA poderiam apenas fabricar o RD-180 internamente. Os críticos do motor dizem que seria astronomicamente caro fazer isso. Mas o custo “não deveria ser astronómico!” Sackett diz. “Temos pessoas inteligentes aqui, e temos a receita! É exatamente por isso que identificamos e negociamos para essas 10 tecnologias-chave de fabricação, para que pudéssemos pegar os desenhos e as notas e depois ir construí-los.”
Isso não deve acontecer, em parte porque depois de décadas de estagnação, as empresas americanas estão finalmente trabalhando em motores que podem ser melhores do que o RD-180.
O desempenho de um motor tem profunda influência sobre o design do foguete acima dele. Então quando o Congresso ordenou que a Força Aérea parasse de usar o RD-180, isso provocou uma competição não apenas por um novo motor, mas por um foguete totalmente novo. Tal competição era inevitável – afinal de contas, os designs não duram para sempre. Mas como projetar novos motores e foguetes é caro e demorado, o timing para fazer uma troca é sempre politicamente controverso. A proibição do RD-180, mandatada pelo Congresso, forçou a questão.
Há quatro sérios competidores para construir esse novo foguete: SpaceX, Blue Origin, a United Launch Alliance (uma joint venture Boeing-Lockheed Martin conhecida por suas iniciais, ULA), e Northrop Grumman. Dois deles serão escolhidos, com base na teoria de que ter dois vencedores cria uma competição contínua, enquanto que nomear um deles resultaria em um monopólio que poderia então dar a volta e goivar a Força Aérea. Milhares de empregos estão em jogo: se a ULA perder, ela pode sair do negócio.
O New Glenn, a entrada da Blue Origin na competição, utiliza o BE-4, o mais recente e mais potente motor da Blue Origin. (Tal como o foguete da ULA – as duas empresas são simultaneamente concorrentes e parceiros comerciais). Os designs do BE-4 e do Raptor do SpaceX são informados de forma crucial pelo RD-180. O BE-4 é um motor de combustão faseada rico em oxigênio, como o RD-170 e RD-180. O Raptor, por sua vez, assemelha-se ao RD-180 na medida em que alimenta o escape do pré-combustão na câmara de combustão – assegurando que quase todo o combustível e oxidante armazenados nos tanques do foguetão são utilizados para gerar impulso. No entanto, o Raptor conta com um ajuste na abordagem da Glushko: tanto os fluxos ricos em combustível como os ricos em oxidantes alimentam as suas turbobombas – teoricamente resultando em eficiência máxima.
De certa forma, o BE-4 e o Raptor são como uma tentativa de construir um violino melhor do que o Stradivarius, usando métodos modernos. Blue Origin e SpaceX têm acesso a melhores diagnósticos e técnicas de simulação mais sofisticadas do que Glushko. Eles também têm outra característica de design importante para a Força Aérea Americana: eles são feitos nos EUA.
Possivelmente a maior vantagem técnica que estes novos motores têm sobre o RD-180 é que eles usam metano como combustível ao invés de querosene, como o RD-180 faz. O querosene pode afundar o trabalho de um motor após uso repetido. O metano tem maior impulso específico, e queima mais limpo. Também é muito mais fácil (em princípio) sintetizar em Marte, o que Musk pretende fazer.
Nenhum dos motores novos ainda atingiu a órbita. SpaceX está planejando vôos de teste do seu foguete Starhopper, que eventualmente será alimentado por três Raptors, para este verão. Estes vôos serão pequenos saltos, alguns milhares de pés no ar acima do local de testes do SpaceX no Texas. A Blue Origin também está testando o BE-4 no Texas, e começou a construir uma fábrica no Alabama onde irá fabricar os motores. Ele alugou o Complexo de Lançamento 36, onde o RD-180 voou pela primeira vez, da Força Aérea e planeja lançar o New Glenn lá em 2021.
Energomash, enquanto isso, está esperando desesperadamente que o programa espacial russo recomece a usar seus motores. Cerca de 90% da sua produção foi para os EUA nos últimos anos, diz Pavel Luzin, um analista da indústria espacial russa. Tal como os seus homólogos americanos, Energomash corre agora o risco de ser tornado obsoleto por Musk e Bezos – que, com a sua liberdade das restrições do design herdado e a sua vontade de gastar dinheiro e correr riscos, finalmente sacudiram o design do motor de foguetão de décadas de Stasis.