RD-180 är anmärkningsvärd inte bara på grund av de geopolitiska särdragen i sin framväxt, utan också för att den på många sätt helt enkelt var bättre än någon annan raketmotor på sin tid. När Elon Musk i februari 2019 tillkännagav ett lyckat test av SpaceX:s Raptor-motor, som är tänkt att driva företagets nästa generations raket Starship, skröt han om det höga tryck som uppnåddes i Raptors tryckkammare: över 265 gånger det atmosfäriska trycket på havsnivå. Raptor, sade han på Twitter, hade överträffat det rekord som i flera decennier hållits av den ”fantastiska ryska RD-180.”

När Ryssland annekterade Krim 2014 var RD-180:s dagar som en viktig del av den amerikanska raketverksamheten räknade. Försvarshökar hade länge varit obekväma med arrangemanget, men motorn var både mycket bra och, med tanke på dess kapacitet, billig – och så blev den kvar. Men i takt med att relationerna med Ryssland blev allt sämre lyckades kongressens motståndare till motorn, ledda av senator John McCain, få igenom ett förbud mot att använda motorn i amerikanska raketer efter utgången av 2022. Detta har tvingat flygvapnet att hitta en ny raket för att efterträda den RD-180-drivna Atlas 5.

Allt detta väcker en fråga: Hur blev en flera decennier gammal rysk motor den måttstock som USA:s bästa raketforskare mäter sig mot?

Om man vill förstå vad som gjorde RD-180 till en så bra motor hjälper det att förstå att det är en hel del hantverk inblandat. Även om hundratals människor samarbetar kring raketmotorer är det viktigt att ha någon med instinkt för god design i ledningen: kompromisserna är för komplexa för att kunna lösas med råstyrka eller av en kommitté. I fallet RD-180 hette den personen Valentin Glushko.

Efter att Sovjetunionen förlorade mot USA i kapplöpningen till månen blev utformningen av den bästa möjliga raketmotorn ”en nationell prioritering”, enligt Vadim Lukashevich, en flyg- och rymdingenjör och rysk rymdhistoriker. De sovjetiska ledarna ville bygga världens kraftfullaste raket, Energia, för att kunna upprätthålla sina rymdstationer i jordens omloppsbana och för att lyfta Buran, en blivande rysk rymdfärja. Glushko fick resurser för att bygga den bästa motorn han kunde, och han var bra på att bygga motorer. Resultatet blev RD-170, RD-180:s storebror.

RD-170 var en av de första raketmotorer som använde en teknik som kallas för stegvis förbränning. Den amerikanska rymdfärjans huvudmotor, som också utvecklades på 1970-talet, var en annan. Däremot var F-1-motorerna i det första steget av Saturn V-raketen, som skickade Apollo till månen, av en äldre, enklare konstruktion som kallas gasgeneratormotor. Den viktigaste skillnaden är att motorer med stegvis förbränning kan vara effektivare, men de löper större risk att explodera. William Anderson, som studerar vätskebränsledrivna raketmotorer vid Purdue University, förklarar: ”Energiframtagningshastigheterna är extrema”. Anderson säger att det krävs en person med en riktigt skarpsinnig fantasi för att förstå de galna saker som pågår i raketmotorernas förbränningskammare. I Ryssland var den skarpsinniga personen Glushko.

”Det var så mycket investerat i skytteln att ingen på NASA ville prata om att utveckla en syreberikad motor med stegvis förbränning … Syre bränner de flesta saker om man ger en gnista.”

För att förstå varför Glushkos motorer var en sådan teknisk bedrift måste vi bli lite tekniska.

Det finns två nyckelmått för att mäta en rakets prestanda: dragkraft, eller hur mycket kraft en raket utövar, och specifik impuls, ett mått på hur effektivt den använder sina drivmedel. En raket med hög dragkraft men låg specifik impuls kommer inte att nå omloppsbana – den skulle behöva bära med sig så mycket bränsle att bränslets vikt skulle kräva mer bränsle, och så vidare. Omvänt skulle en raket med hög specifik impuls men låg dragkraft aldrig lämna marken. (Sådana raketer fungerar dock bra i rymden, där det räcker med en stadig knuff.)

En raketmotor, ungefär som en jetmotor i ett flygplan, förbränner bränsle tillsammans med ett oxidationsmedel – ofta syre – för att skapa heta gaser som expanderar nedåt och ut ur motorns munstycke och accelererar motorn åt andra hållet. Till skillnad från jetmotorer, som får syre från luften omkring dem, måste raketer bära med sig eget syre (eller annat oxidationsmedel), eftersom det naturligtvis inte finns något sådant i rymden. Liksom jetmotorer behöver raketer ett sätt att tvinga in bränsle och syre i förbränningskammaren med högt tryck; allt annat lika innebär högre tryck bättre prestanda. För att göra det använder raketer turbopumpar som snurrar med hundratals rotationer per sekund. Turbopumparna drivs av turbiner som i sin tur drivs av förbrännare som också förbränner en del bränsle och syre.

Den avgörande skillnaden mellan motorer med stegvis förbränning som RD-180 och gasgeneratormotorer som Saturnus F-1 ligger i vad som händer med avgaserna från dessa förbrännare. Medan gasgeneratormotorer dumpar det överbord, återinsprutas det i huvudförbränningskammaren i motorer med stegvis förbränning. Ett skäl till detta är att avgaserna innehåller oanvänt bränsle och syre – förbrännarna kan inte förbränna allt. Att slänga det är ett slöseri, vilket spelar roll i en raket som också måste lyfta varje pund bränsle och syre som den ska använda. Men att åter injicera avgaserna innebär en känslig balansering av de relevanta trycken och flödeshastigheterna så att motorerna inte exploderar. Det krävs en hel serie turbopumpar för att få det att fungera. Expertgrupper behöver vanligtvis ett decennium eller mer av simulering och testning för att räkna ut hur man ska få det rätt.

RD-170 och RD-180 har en annan fördel. De är syrerika, vilket betyder exakt vad det låter som: de injicerar extra syre i systemet. (Rymdfärjans huvudmotor är däremot en bränslerik motor.) Syrerika motorer tenderar att brinna renare och antändas lättare. De möjliggör också högre tryck i förbränningskammaren och därmed bättre prestanda – men de är mer benägna att explodera, så i årtionden gjordes inga större ansträngningar för att få dem att fungera i USA. ”Det var så mycket investerat i skytteln att ingen på NASA ville prata om att utveckla en syreberikad motor med stegvis förbränning”, säger Anderson. ”Syre bränner det mesta om man ger en gnista.” Detta kräver stor omsorg om de material som används för att bygga motorn, och ännu större omsorg om att se till att inga främmande material – t.ex. metallrester – någonsin kommer in i motorn. ”Ju mer vi lär oss om fysiken i vad som händer i en förbränningskammare, desto mer inser vi hur ostadigt det verkligen är”, säger Anderson.

Om RD-170 var den tveklöst bästa raketmotorn i sin generation, var rymdfärjans huvudmotor tveklöst den näst bästa (och var betydligt dyrare att tillverka). Ingen av dem levde upp till sin potential. Rymdfärjans motor fick en citron av en farkost som var mycket mer besvärlig än vad dess konstruktörer hade hoppats att den skulle bli. RD-170 å andra sidan flög bara två gånger: en gång 1987 och en gång 1988. Även om utvecklingen av den hade varit en nationell prioritet, var Sovjetunionen på väg att falla sönder när Glushko bevisade att den fungerade.

1990-talet var en turbulent tid i Ryssland, särskilt för rymdprogrammet. För att överleva utan statlig finansiering vände sig nyligen privatiserade rymdföretag till den kommersiella marknaden.

Det var då Jim Sackett, en ingenjör som hade arbetat för Lockheed vid NASA:s Johnson Space Center i Houston, flyttade till Moskva. Lockheed blev intresserat av att använda syrerik stegvis förbränning för att driva nästa generation Atlas-raketer, med vilka man planerade att konkurrera om kontrakt med flygvapnet och NASA.

Sackett, som fick ansvaret för Lockheeds Moskvakontor, fick i uppdrag att närma sig Energomash, ett post-sovjetiskt företag inom rymdindustrin som kom att äga RD-170 och relaterad motorteknik. Energomash välkomnade Lockheeds intresse med entusiasm. Men RD-170 var för kraftfull: de Atlas-raketer som Lockheed ville skicka ut i rymden var betydligt mindre än Energia, som RD-170 hade konstruerats för. Så Energomash skar i princip motorn på mitten – företaget utarbetade ett förslag till en tvåkammarversion av RD-170 med fyra kamrar som skulle kunna användas i Atlas. Detta var RD-180:s födelse.

Förhållandet krävde en anmärkningsvärd integration mellan ryska och amerikanska militärindustriella entreprenörer. Lockheed inrättade ett kontor hos Energomash i en förort till Moskva. Det var en enorm verksamhet, minns Sackett. ”De har en metallurgisk anläggning där, så de smider sina egna metaller”, säger han. ”De har alla sina egna maskinverkstäder, alla sina egna testanläggningar. Det är en massa saker, allt under samma tak. Och till slut blir allt detta till en raketmotor.”

Det tog ungefär ett år av dagliga, djupgående tekniska möten mellan Sacketts team och Energomashs chefer och ingenjörer för att förstå om de föreslagna inköpen av RD-180-motorer skulle fungera eller inte. Lockheed ville ha en liten affär utan åtaganden. Energomash ville ha ett långsiktigt avtal. Kontraktet undertecknades i slutet av ett maratonmöte på sex timmar 1996, berättar Sackett. Resultatet: ett avtal om 101 motorer för en miljard dollar.

Det amerikanska flygvapnet, Lockheeds viktigaste kund, krävde tillgång till tio nyckeltekniker som behövdes för att tillverka RD-180, ifall relationerna med Ryssland någonsin skulle haverera och Amerika skulle bli tvunget att tillverka motorerna själv. Det var en stor begäran. USA var ute efter en kronjuvel av sovjetisk rymdteknik, och den ryska regeringen var inte glad. ”Men de såg inget alternativ”, säger Sackett, ”eftersom landet inte bara ändrade sig, utan gick i konkurs. De blev helt enkelt helt panka. Det var så de räddade företaget.”

Och även om mer uppmärksamhet har ägnats åt det amerikansk-ryska samarbetet kring den internationella rymdstationen, gick RD-180-samarbetet i många avseenden djupare. Rymdstationen är trots allt inte avgörande för den nationella säkerheten i något av länderna, medan spanings- och kommunikationssatelliter är det.

Nu när relationerna mellan de två länderna har fransats upp, menar Sackett, skulle USA bara kunna tillverka RD-180 på hemmaplan. Motorns kritiker säger att det skulle bli astronomiskt dyrt att göra det. Men kostnaden ”borde inte vara astronomisk!”. Sackett säger. ”Vi har smarta människor här och vi har receptet! Det är precis därför vi identifierade och förhandlade om dessa tio viktiga tillverkningstekniker, så att vi kunde ta ritningarna och anteckningarna och sedan bygga dem.”

Det är inte troligt att det kommer att hända, delvis på grund av att amerikanska företag efter årtionden av stagnation äntligen arbetar med motorer som kanske är bättre än RD-180.

En motors prestanda har ett stort inflytande på utformningen av raketen ovanför den. Så när kongressen gav flygvapnet i uppdrag att sluta använda RD-180, utlöste detta en tävling inte bara om en ny motor, utan om en helt ny raket. En sådan tävling var oundviklig – konstruktioner håller trots allt inte för evigt. Men eftersom det är dyrt och tidskrävande att konstruera nya motorer och raketer är tidpunkten för ett byte alltid politiskt omtvistad. Kongressens RD-180-förbud tvingade fram frågan.

Det finns fyra seriösa kandidater som vill bygga den nya raketen: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (ett samriskföretag mellan Boeing och Lockheed Martin som är känt under sina initialer ULA) och Northrop Grumman. Två av dem kommer att väljas ut, enligt teorin att två vinnare skapar ständig konkurrens, medan en vinnare skulle leda till ett monopol som skulle kunna vända sig om och lura flygvapnet. Tusentals arbetstillfällen står på spel: om ULA förlorar kan företaget gå i konkurs.

New Glenn, Blue Origins bidrag till tävlingen, använder BE-4, Blue Origins nyaste och mest kraftfulla motor. (Liksom ULA:s raket – de två företagen är samtidigt konkurrenter och affärspartners). Konstruktionen av både BE-4 och SpaceX:s Raptor har på avgörande sätt påverkats av RD-180. BE-4 är en syrerik motor med stegvis förbränning, liksom RD-170 och RD-180. Raptor liknar RD-180 genom att den matar in förbränningsavgaserna i förbränningskammaren, vilket gör att nästan allt bränsle och oxidationsmedel som lagras i raketens tankar används för att generera dragkraft. Raptor bygger dock på en ändring av Glushkos tillvägagångssätt: både bränsle- och oxidationsmedelsrika flöden driver turbopumparna – vilket teoretiskt sett ger maximal effektivitet.

På sätt och vis är BE-4 och Raptor som ett försök att bygga en bättre fiol än vad Stradivarius gjorde, med moderna metoder. Blue Origin och SpaceX har tillgång till bättre diagnostik och mer sofistikerade simuleringstekniker än vad Glushko hade. De har också en annan konstruktionsegenskap som är viktig för det amerikanska flygvapnet: de är tillverkade i USA.

Den kanske största tekniska fördelen som dessa nya motorer har jämfört med RD-180 är att de använder metan som bränsle i stället för fotogen, som RD-180 gör. Kerosin kan göra att motorerna blir smutsiga efter upprepad användning. Metan har högre specifik impuls och brinner renare. Det är också mycket lättare (i princip) att syntetisera på Mars, vilket Musk har för avsikt att göra.

Ingen av de nya motorerna har ännu nått omloppsbana. SpaceX planerar testflygningar av sin Starhopper-raket, som så småningom kommer att drivas av tre Raptors, till i sommar. Dessa flygningar kommer att vara korta hopp, några tusen meter i luften ovanför SpaceX:s testanläggning i Texas. Blue Origin testar också BE-4 i Texas och har börjat bygga en fabrik i Alabama där motorerna ska tillverkas. Företaget har hyrt Launch Complex 36, där RD-180 först flög, av flygvapnet och planerar att skjuta upp New Glenn där 2021.

Energomash hoppas under tiden desperat att det ryska rymdprogrammet återigen ska börja använda dess motorer. Omkring 90 procent av dess produktion har gått till USA under de senaste åren, säger Pavel Luzin, analytiker inom den ryska rymdindustrin. Precis som sina amerikanska motsvarigheter riskerar Energomash nu att bli föråldrad av Musk och Bezos – som med sin frihet från gamla konstruktionsbegränsningar och sin vilja att spendera pengar och ta risker äntligen har fått raketmotordesignen att rycka upp sig ur decennier av stillestånd.