RDr-180 este remarcabil nu numai pentru particularitățile geopolitice ale ascensiunii sale la proeminență, ci și pentru că, în multe privințe, a fost pur și simplu mai bun decât orice alt motor de rachetă din vremea sa. Când, în februarie 2019, Elon Musk a anunțat un test de succes al motorului Raptor al SpaceX, care este destinat să propulseze următoarea generație de rachete Starship a companiei, el s-a lăudat cu presiunile ridicate atinse în camera de propulsie a Raptor: de peste 265 de ori presiunea atmosferică la nivelul mării. Raptor, a spus el pe Twitter, a depășit recordul deținut timp de câteva decenii de „impresionantul RD-180 rusesc.”

După ce Rusia a anexat Crimeea în 2014, zilele RD-180 ca element de bază al rachetelor americane au fost numărate. Șoimii apărării se simțeau de mult timp inconfortabil cu acest aranjament, dar motorul era atât foarte bun, cât și, având în vedere capacitatea sa, ieftin – și astfel a rămas. Dar, pe măsură ce relațiile cu Rusia se tensionau, opozanții din Congres ai motorului, conduși de senatorul John McCain, au reușit să treacă o interdicție de utilizare a motorului în rachetele americane după sfârșitul anului 2022. Acest lucru a forțat Forțele Aeriene să găsească o nouă rachetă care să succeadă Atlas 5 cu motor RD-180.

Toate acestea ridică o întrebare: Cum a devenit un motor rusesc vechi de zeci de ani ștacheta cu care se măsoară cei mai buni oameni de știință din domeniul rachetelor din America?

Dacă vreți să înțelegeți ce a făcut din RD-180 un motor atât de bun, este util să înțelegeți că este vorba de o mare cantitate de meșteșug. Deși sute de oameni colaborează la realizarea motoarelor de rachetă, este vital să existe cineva care să aibă la conducere un instinct de proiectare bună: compromisurile sunt prea complexe pentru a fi descoperite prin forță brută sau prin comitet. În cazul RD-180, acel cineva s-a numit Valentin Glushko.

După ce URSS a pierdut în fața Americii în cursa spre Lună, proiectarea celui mai bun motor de rachetă posibil a devenit „o prioritate națională”, potrivit lui Vadim Lukashevich, inginer aerospațial și istoric rus al spațiului. Liderii sovietici doreau să construiască cea mai puternică rachetă din lume, Energia, pentru a-și susține stațiile spațiale de pe orbita Pământului și pentru a ridica Buran, o viitoare navetă spațială rusă. Glushko a primit resurse pentru a construi cel mai bun motor pe care îl putea construi, iar el se pricepea să construiască motoare. Rezultatul a fost RD-170, fratele mai mare al RD-180.

Motorul RD-170 a fost printre primele motoare de rachetă care a folosit o tehnică numită combustie etapizată. Motorul principal al navetei spațiale americane, dezvoltat tot în anii 1970, a fost un altul. În schimb, motoarele F-1 din prima etapă a rachetei Saturn V, care a lansat Apollo pe Lună, erau de un design mai vechi și mai simplu, numit motor cu generator de gaz. Diferența esențială: motoarele cu combustie etapizată pot fi mai eficiente, dar prezintă un risc mai mare de a exploda. După cum explică William Anderson, care studiază motoarele de rachetă alimentate cu combustibil lichid la Universitatea Purdue, „ratele de eliberare a energiei sunt pur și simplu extreme”. Este nevoie de cineva cu o imaginație foarte perspicace, spune Anderson, pentru a înțelege lucrurile nebunești care se întâmplă în interiorul camerelor de combustie ale motoarelor de rachetă. În Rusia, acea persoană isteață a fost Glushko.

„S-a investit atât de mult în navetă încât nimeni de la NASA nu a vrut să vorbească despre dezvoltarea unui motor cu combustie etapizată bogat în oxigen… Oxigenul va arde majoritatea lucrurilor dacă îi oferi o scânteie.”

Pentru a înțelege de ce motoarele lui Glushko au fost o astfel de realizare inginerească, trebuie să devenim un pic mai tehnici.

Există două măsuri cheie ale performanței unei rachete: împingerea, sau cantitatea de forță pe care o exercită o rachetă, și impulsul specific, o măsură a eficienței cu care își folosește propulsoarele. O rachetă cu o împingere mare, dar cu un impuls specific scăzut, nu va ajunge pe orbită – ar trebui să transporte atât de mult combustibil încât greutatea acestuia ar necesita mai mult combustibil, și așa mai departe. Dimpotrivă, o rachetă cu un impuls specific ridicat, dar cu o împingere redusă, nu ar părăsi niciodată solul. (Totuși, astfel de rachete funcționează bine în spațiu, unde un impuls constant este suficient.)

Un motor de rachetă, la fel ca un motor cu reacție de avion, arde combustibilul împreună cu un oxidant – adesea oxigen – pentru a crea un gaz fierbinte care se extinde în jos și iese prin duza motorului, accelerând motorul în sens invers. Spre deosebire de motoarele cu reacție, care obțin oxigenul din aerul din jurul lor, rachetele trebuie să transporte propriul oxigen (sau alt oxidant), deoarece în spațiu, bineînțeles, nu există niciunul. La fel ca și rachetele cu reacție, rachetele au nevoie de o modalitate de a forța combustibilul și oxigenul să intre în camera de combustie la presiune ridicată; toate celelalte fiind egale, o presiune mai mare înseamnă performanțe mai bune. Pentru a face acest lucru, rachetele folosesc turbopompe care se rotesc la sute de rotații pe secundă. Turbopompele sunt acționate de turbine, iar acestea, la rândul lor, sunt acționate de pre-arzătoare, care, la fel, ard o parte din combustibil și oxigen.

Diferența crucială dintre motoarele cu combustie etapizată, cum ar fi RD-180, și motoarele cu generator de gaz, cum ar fi F-1 de pe Saturn, constă în ceea ce se întâmplă cu gazele de eșapament de la aceste pre-arzătoare. În timp ce motoarele generatoare de gaz îl aruncă peste bord, motoarele cu combustie etapizată îl reinjectează în camera de ardere principală. Unul dintre motivele pentru care se procedează astfel este faptul că gazele de eșapament conțin combustibil și oxigen nefolosit – pre-arzătoarele nu le pot arde pe toate. Aruncându-l la gunoi este o risipă, ceea ce contează într-o rachetă care trebuie, de asemenea, să ridice fiecare kilogram de combustibil și oxigen pe care îl va folosi. Dar reinjectarea gazelor de eșapament presupune echilibrarea delicată a presiunilor și a debitelor relevante, astfel încât motoarele să nu explodeze. Este nevoie de o serie întreagă de turbopompe pentru ca acest lucru să funcționeze. Echipele de experți au nevoie de obicei de un deceniu sau mai mult de simulări și teste pentru a-și da seama cum să o facă bine.

DRD-170 și RD-180 au un alt avantaj. Ele sunt bogate în oxigen, ceea ce înseamnă exact ceea ce sună: injectează oxigen suplimentar în sistem. (Motorul principal al navetei spațiale, prin contrast, este un motor bogat în combustibil.) Motoarele bogate în oxigen au tendința de a arde mai curat și de a se aprinde mai ușor. Acestea permit, de asemenea, presiuni mai mari în camera de combustie și, prin urmare, performanțe mai bune – dar sunt mai predispuse la explozie, astfel încât, timp de zeci de ani, nu au existat eforturi majore pentru a le face să funcționeze în SUA. „S-a investit atât de mult în navetă încât nimeni de la NASA nu a vrut să vorbească despre dezvoltarea unui motor cu combustie etapizată bogat în oxigen”, spune Anderson. „Oxigenul va arde majoritatea lucrurilor dacă îi oferi o scânteie”. Acest lucru necesită o mare grijă în ceea ce privește materialele folosite pentru a construi motorul și o grijă și mai mare pentru a se asigura că niciun material străin – cum ar fi particule de resturi metalice – nu ajunge vreodată în el. „Cu cât învățăm mai mult despre fizica a ceea ce se întâmplă în interiorul unei camere de combustie, cu atât mai mult ne dăm seama cât de instabilă este cu adevărat”, spune Anderson.

Dacă RD-170 a fost, fără îndoială, cel mai bun motor de rachetă din generația sa, motorul principal al navetei spațiale a fost, fără îndoială, al doilea cel mai bun (și a fost substanțial mai scump de fabricat). Niciunul dintre ele nu s-a ridicat la înălțimea potențialului său. Motorul navetei spațiale a fost blocat cu o lămâie de vehicul, care a fost mult mai greoi decât sperau proiectanții săi să fie. RD-170, pe de altă parte, a zburat doar de două ori: o dată în 1987 și o dată în 1988. Deși dezvoltarea acestuia fusese o prioritate națională, în momentul în care Glushko a dovedit că funcționa, Uniunea Sovietică era pe cale să se destrame.

Anii ’90 au fost o perioadă turbulentă în Rusia, în special pentru programul spațial. Pentru a supraviețui fără finanțare guvernamentală, firmele aerospațiale recent privatizate s-au orientat către piața comercială.

Atunci, Jim Sackett, un inginer care lucrase pentru Lockheed la Centrul Spațial Johnson al NASA din Houston, s-a mutat la Moscova. Lockheed a devenit interesată de utilizarea combustiei etapizate bogate în oxigen pentru a propulsa următoarea generație de rachete Atlas, cu care plănuia să concureze pentru contracte cu Forțele Aeriene și NASA.

Sackett, care a fost pus în fruntea biroului Lockheed din Moscova, a fost contactat pentru a aborda Energomash, o firmă post-sovietică din industria spațială care a ajuns să dețină RD-170 și tehnologia motoarelor aferente. Energomash a primit cu entuziasm interesul Lockheed. Dar RD-170 era prea puternic: rachetele Atlas pe care Lockheed dorea să le trimită în spațiu erau considerabil mai mici decât Energia, pentru care fusese proiectat RD-170. Așa că Energomash a tăiat practic motorul la jumătate – firma a întocmit o propunere pentru un derivat cu două camere al RD-170 cu patru camere care ar putea fi utilizat în Atlas. Aceasta a fost nașterea RD-180.

Relația a necesitat o integrare remarcabilă între contractorii militari-industriali ruși și americani. Lockheed a înființat un birou la Energomash, într-o suburbie a Moscovei. A fost o operațiune uriașă, își amintește Sackett. „Au o uzină metalurgică acolo, așa că își forjează propriile metale”, spune el. „Au toate atelierele lor mecanice, toate instalațiile lor de testare. Sunt o mulțime de lucruri, toate sub același acoperiș. Și, în cele din urmă, toate acestea se transformă într-un motor de rachetă.”

A fost nevoie de aproximativ un an de întâlniri tehnice zilnice și aprofundate între echipa lui Sackett și directorii și inginerii Energomash pentru a înțelege dacă achizițiile propuse de motoare RD-180 vor funcționa sau nu. Lockheed dorea o afacere mică, fără angajamente. Energomash a insistat pentru un acord pe termen lung. Contractul a fost semnat la finalul unei sesiuni maraton de șase ore în 1996, spune Sackett. Rezultatul: un contract de 101 motoare, în valoare de un miliard de dolari.

Forța aeriană americană, principalul client al Lockheed, a cerut acces la 10 tehnologii cheie necesare pentru a produce RD-180, în cazul în care relațiile cu Rusia ar fi eșuat vreodată și America ar fi trebuit să fabrice singură motoarele. A fost o cerere importantă. SUA urmăreau o bijuterie a coroanei tehnologiei spațiale sovietice, iar guvernul rus nu era încântat. „Dar nu au văzut nicio alternativă”, spune Sackett, „pentru că țara nu doar că s-a răzgândit, ci a dat faliment. Pur și simplu au intrat în faliment total. Așa au salvat compania.”

Chiar dacă s-a acordat mai multă atenție cooperării americano-ruse în ceea ce privește Stația Spațială Internațională, în multe privințe colaborarea RD-180 a fost mai profundă. La urma urmei, stația spațială nu este crucială pentru securitatea națională a niciuneia dintre țări, în timp ce sateliții de recunoaștere și de comunicații sunt.

Acum că relațiile dintre cele două țări s-au tensionat, susține Sackett, SUA ar putea pur și simplu să fabrice RD-180 pe plan intern. Criticii motorului spun că ar fi astronomic de costisitor să facă acest lucru. Dar costul „nu ar trebui să fie astronomic!”. spune Sackett. „Avem oameni inteligenți aici și avem rețeta! Acesta este exact motivul pentru care am identificat și am negociat pentru acele 10 tehnologii cheie de fabricație, astfel încât să putem lua desenele și notele și apoi să mergem să le construim.”

Este puțin probabil ca acest lucru să se întâmple, în parte pentru că, după decenii de stagnare, companiile americane lucrează în sfârșit la motoare care ar putea fi mai bune decât RD-180.

Performanțele unui motor au o influență profundă asupra proiectării rachetei de deasupra sa. Așa că atunci când Congresul a impus ca Forțele Aeriene să nu mai folosească RD-180, acest lucru a provocat o competiție nu doar pentru un nou motor, ci pentru o rachetă complet nouă. O astfel de competiție era inevitabilă – la urma urmei, proiectele nu durează o veșnicie. Dar, deoarece proiectarea de noi motoare și rachete este costisitoare și consumatoare de timp, momentul în care se face o schimbare este întotdeauna controversat din punct de vedere politic. Interzicerea RD-180 impusă de Congres a forțat problema.

Există patru concurenți serioși pentru a construi acea nouă rachetă: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (un joint-venture Boeing-Lockheed Martin cunoscut după inițialele sale, ULA) și Northrop Grumman. Doi dintre ei vor fi aleși, pe baza teoriei că, având doi câștigători, se creează o competiție continuă, în timp ce desemnarea unuia ar duce la un monopol care ar putea apoi să se întoarcă și să jefuiască Forțele Aeriene. Mii de locuri de muncă sunt în joc: dacă ULA pierde, ar putea da faliment.

Noul Glenn, propunerea Blue Origin în competiție, folosește BE-4, cel mai nou și mai puternic motor al Blue Origin. (La fel ca și racheta ULA – cele două firme sunt simultan concurenți și parteneri de afaceri). Proiectele atât ale BE-4, cât și ale Raptorului SpaceX sunt influențate în mod esențial de RD-180. BE-4 este un motor cu combustie etapizată, bogat în oxigen, la fel ca RD-170 și RD-180. Raptor, între timp, se aseamănă cu RD-180 prin faptul că introduce gazele de eșapament de dinaintea arderii în camera de combustie – asigurându-se că aproape tot combustibilul și oxidantul stocate în rezervoarele rachetei sunt folosite pentru a genera împingere. Cu toate acestea, Raptor se bazează pe o modificare a abordării lui Glushko: atât fluxurile bogate în combustibil, cât și cele bogate în oxidant alimentează turbopompele sale – rezultând, teoretic, o eficiență maximă.

Într-un fel, BE-4 și Raptor sunt ca o încercare de a construi o vioară mai bună decât a făcut-o Stradivarius, folosind metode moderne. Blue Origin și SpaceX au acces la diagnostice mai bune și la tehnici de simulare mai sofisticate decât avea Glushko. De asemenea, au o altă caracteristică de proiectare importantă pentru Forțele Aeriene americane: sunt fabricate în SUA.

Posibil cel mai mare avantaj tehnic pe care aceste noi motoare îl au față de RD-180 este faptul că folosesc metan ca și combustibil, mai degrabă decât kerosen, așa cum face RD-180. Kerosenul poate murdări lucrările unui motor după o utilizare repetată. Metanul are un impuls specific mai mare și arde mai curat. De asemenea, este mult mai ușor (în principiu) de sintetizat pe Marte, ceea ce Musk își propune să facă.

Niciunul dintre cele două motoare noi nu a ajuns încă pe orbită. SpaceX planifică pentru această vară zboruri de testare a rachetei sale Starhopper, care va fi în cele din urmă propulsată de trei Raptor. Aceste zboruri vor fi salturi scurte, la câteva mii de metri în aer deasupra sitului de testare al SpaceX din Texas. Blue Origin testează, de asemenea, BE-4 în Texas și a început să construiască o fabrică în Alabama, unde va fabrica motoarele. A închiriat Complexul de lansare 36, unde RD-180 a zburat pentru prima dată, de la Forțele Aeriene și plănuiește să lanseze New Glenn de acolo în 2021.

Energomash, între timp, speră cu disperare că programul spațial rusesc va începe din nou să folosească motoarele sale. Aproximativ 90% din producția sa a plecat în SUA în ultimii ani, spune Pavel Luzin, un analist al industriei spațiale rusești. La fel ca omologii săi americani, Energomash riscă acum să fie învechit de Musk și Bezos – care, cu libertatea lor față de constrângerile de proiectare moștenite și dorința de a cheltui bani și de a-și asuma riscuri, au scos în sfârșit proiectarea motoarelor de rachetă din decenii de stagnare.

.