Kan SpaceX och Blue Origin bäst en decennier gammal rysk raketmotordesign?

Foto av en raket som lyfter Bill INgalls/NASA

En timme före solnedgången den 24 maj 2000 lyfte en ovanlig raket från Launch Complex 36 vid Cape Canaveral Air Force Station. Liksom de flesta raketer hade Atlas 3 ärvt sin design från en interkontinental ballistisk missil - i det här fallet från USA:s första sådan missil, designad för att hota Sovjetunionen med kärnvapenförintelse. Detta var inte ovanligt. Men raketen hade ett nytt första steg, ett som var betydligt kraftfullare än de som den ersatte. RD-180, som motorn kallas, byggdes av NPO Energomash i en fabrik utanför Moskva. I ett äktenskap som skulle ha varit otänkbart på höjden av rymdkapplöpningen, drev en rysk motor en amerikansk raket.

Under de två decennierna sedan har ytterligare 83 sådana raketer lyft från Florida.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

På Atlas 3 och dess efterföljare, Atlas 5, bar RD-180 minst 16 amerikanska spionsatelliter i omloppsbana, tillsammans med 13 militära kommunikationssatelliter, ett halvdussin GPS-satelliter, två militära vädersatelliter och tre missilvarningssatelliter , designad för att upptäcka raketuppskjutningar från bland annat den där den byggdes. Den lanserade fyra amerikanska Mars-uppdrag. NASA:s lansering av New Horizons till Pluto 2006 och Juno till Jupiter 2011 gjordes båda på baksidan av RD-180.

RD-180 är anmärkningsvärd inte bara för de geopolitiska särdragen i dess uppkomst, utan 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 framgångsrikt test av SpaceX Raptor-motor, som är avsedd att driva företagets nästa generations raket Starship, skröt han om de höga trycken som uppnåddes i Raptors tryckkammare: över 265 gånger atmosfärstrycket till havs nivå. Raptor, sa han på Twitter, hade överträffat rekordet som hölls i flera decennier av den fantastiska ryska RD-180.

Efter att Ryssland annekterade Krim 2014, var RD-180:s dagar som en stapelvara i amerikansk raket räknade. Försvarshökar hade länge varit obekväma med arrangemanget, men motorn var både mycket bra och, med tanke på dess förmåga, billig - och så blev den kvar. Men när relationerna med Ryssland slitnade, lyckades kongressmotståndare till motorn, ledda av senator John McCain, godkänna ett förbud mot motorns användning i amerikanska raketer efter slutet av 2022. Detta har tvingat flygvapnet att hitta en ny raket för att lyckas. den RD-180-drivna Atlas 5.

Allt detta väcker en fråga: Hur blev en decennier gammal rysk motor ribban mot vilken USA:s bästa raketforskare mäter sig?

Om du vill förstå vad som gjorde RD-180 till en så bra motor, hjälper det att förstå att det är mycket hantverk inblandat. Även om hundratals människor samarbetar om raketmotorer, är det viktigt att ha någon med instinkt för bra design som ansvarig: avvägningarna är för komplicerade för att kunna räknas ut med brute force eller av kommittéer. I fallet med RD-180, den personen hette Valentin Glushko.

Efter att Sovjetunionen förlorade mot Amerika i kapplöpningen mot månen, blev design av bästa möjliga raketmotor en nationell prioritet, enligt Vadim Lukashevitj, en rymdingenjör och rymdhistoriker. Sovjetiska ledare ville bygga världens kraftfullaste raket, Energia, för att upprätthålla sina rymdstationer i jordens omloppsbana och 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 äldre bror.

Den ryska RD-180-motorn har drivit dussintals Atlas V-uppskjutningar, några med satelliter som är designade för att spionera på bland annat den där den byggdes. Craig F. Walker

RD-170 var bland de första raketmotorerna som använde en teknik som kallas 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 upp Apollo till månen, av en äldre, enklare design som kallas gasgeneratormotorn. Den viktigaste skillnaden: stegvisa förbränningsmotorer kan vara effektivare, men de löper större risk att explodera. Som William Anderson, som studerar raketmotorer med flytande bränsle vid Purdue University, förklarar, är hastigheten för energiutsläpp bara extrem. Det krävs någon med en riktigt skarpsinnig fantasi, säger Anderson, för att förstå de galna saker som pågår inuti raketmotorernas förbränningskammare. I Ryssland var den skarpsinniga personen Glushko.

'Det investerades så mycket i skytteln att ingen på NASA ville prata om att utveckla en syrerik stegvis förbränningsmotor ... Syre kommer att bränna det mesta om du ger en gnista.'

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

Det finns två nyckelmått på en rakets prestanda: dragkraft, eller mängden 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 når inte omloppsbanan – den skulle behöva bära 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 ett stadigt tryck.)

En raketmotor, ungefär som en jetmotor för ett flygplan, bränner bränsle tillsammans med ett oxidationsmedel – ofta syre – för att skapa het gas som expanderar ner och ut ur motormunstycket och accelererar motorn åt andra hållet. Till skillnad från jetmotorer, som får syre från luften runt dem, behöver raketer bära sitt eget syre (eller annat oxidationsmedel), eftersom det naturligtvis inte finns något i rymden. Precis som jetplan behöver raketer ett sätt att tvinga in bränslet och syret i förbränningskammaren vid högt tryck; allt annat lika betyder högre tryck bättre prestanda. För att göra det använder raketer turbopumpar som snurrar med hundratals varv per sekund. Turbopumparna drivs av turbiner, och de drivs i sin tur av förbrännare, som också förbränner en del bränsle och syre.

Den avgörande skillnaden mellan stegvis förbränningsmotorer som RD-180 och gasgeneratorer som Saturns F-1 ligger i vad som händer med avgaserna från dessa förbrännare. Medan gasgeneratormotorer dumpar det överbord, sprutar stegvisa förbränningsmotorer in det igen i huvudförbränningskammaren. En anledning till att göra detta är att avgaserna innehåller oanvänt bränsle och syre - förbrännarna kan inte bränna allt. Att slänga det är ett slöseri, vilket är viktigt i en raket som också måste lyfta varje kilo bränsle och syre som den kommer att använda. Men att återinjicera avgaserna kräver en noggrann balansering av relevanta tryck och flödeshastigheter så att motorerna inte sprängs. Det krävs en hel serie turbopumpar för att det ska fungera. Team av experter behöver vanligtvis ett decennium eller mer av simulering och testning för att ta reda på hur man får det rätt.

RD-170 och RD-180 har ytterligare en fördel. De är syrerika, vilket betyder precis vad det låter som: de injicerar extra syre i systemet. (Rymdfärjans huvudmotor är däremot en bränslerik motor.) Syrerika motorer tenderar att brinna renare och att antändas lättare. De möjliggör också högre förbränning - kammartryck och därmed bättre prestanda - men de är mer benägna att explodera, så i decennier har det inte gjorts några större ansträngningar för att få dem att fungera i USA. Det investerades så mycket i skytteln att ingen på NASA ville prata om att utveckla en syrerik stegvis förbränningsmotor, säger Anderson. Syre förbränner det mesta om du ger en gnista. Detta kräver stor noggrannhet i de material som används för att bygga motorn, och ännu större noggrannhet när det gäller att se till att inga främmande material - som prickar av metallskräp - någonsin kommer in i den. Ju mer vi lär oss om fysiken i vad som pågår inuti en förbränningskammare, desto mer inser vi hur ostadigt det egentligen är, säger Anderson.

Om RD-170 utan tvekan var den bästa raketmotorn i sin generation, var rymdfärjans huvudmotor utan tvekan näst bäst (och var betydligt dyrare att tillverka). Ingen av dem levde upp till sin potential. Rymdfärjans motor satt fast med en citron av ett fordon, vilket var mycket mer besvärligt än dess designers hade hoppats att det skulle vara. 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, när Glushko bevisade att den fungerade, var Sovjetunionen på väg att falla samman.

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

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

Sackett, som var ansvarig för Lockheeds kontor i Moskva, fick kontakt med Energomash, ett postsovjetisk rymdindustriföretag som kom att äga RD-170 och relaterad motorteknologi. Energomash välkomnade entusiastiskt Lockheeds intresse. Men RD-170 var för kraftfull: Atlas-raketerna Lockheed var ute efter att skicka ut i rymden var betydligt mindre än Energia, som RD-170 hade designats för. Så Energomash halverade i huvudsak motorn - företaget tog fram ett förslag på ett tvåkammarderivat av fyrkammar RD-170 som kunde användas i Atlas. Detta var födelsen av RD-180.

Förhållandet krävde en anmärkningsvärd integration mellan rysk och amerikansk militär - industriella entreprenörer. Lockheed startade ett kontor i Energomash, i en förort till Moskva. Det var en enorm operation, minns Sackett. De har en metallurgi där, så de smider sina egna metaller, säger han. De har alla sina egna maskinverkstäder, alla sina egna testanläggningar. Det är mycket grejer, allt under ett tak. Och så småningom förvandlas allt 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 köpen av RD-180-motorer skulle fungera eller inte. Lockheed ville ha ett litet avtal utan förpliktelser. Energomash höll ut för ett långsiktigt arrangemang. Kontraktet undertecknades i slutet av ett maratonpass på sex timmar 1996, säger Sackett. Resultatet: en affär på 101 motorer, miljarder dollar.

Det amerikanska flygvapnet, Lockheeds huvudkund, krävde tillgång till 10 nyckelteknologier som behövdes för att tillverka RD-180, om förbindelserna med Ryssland någonsin grundades och Amerika skulle behöva tillverka motorerna själva. Det var en stor fråga. USA var ute efter en kronjuvel av sovjetisk rymdteknik, och den ryska regeringen var inte överlycklig. Men de såg inget alternativ, säger Sackett, eftersom landet inte bara ändrade sig, de gick pank. De gick bara sönder. Så här räddade de företaget.

Även om mer uppmärksamhet har ägnats åt det amerikansk-ryska samarbetet på 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 slitits, hävdar Sackett, kan USA bara tillverka RD-180 på hemmaplan. Motorns kritiker säger att det skulle vara astronomiskt dyrt att göra det. Men kostnaden borde inte vara astronomisk! säger Sackett. Vi har smarta människor här, och vi har receptet! Det är precis därför vi identifierade och förhandlade för dessa 10 viktiga tillverkningstekniker, så att vi kunde ta ritningarna och anteckningarna och sedan bygga dem.

Det kommer sannolikt inte att hända, delvis för att efter decennier av stagnation arbetar amerikanska företag äntligen på motorer som bara kan vara bättre än RD-180.

En motors prestanda har djupgående inflytande över designen av raketen ovanför den. Så när kongressen gav mandat att flygvapnet skulle sluta använda RD-180, provocerade detta fram en tävling inte bara om en ny motor, utan om en helt ny raket. En sådan tävling var oundviklig - trots allt varar design inte för evigt. Men eftersom det är dyrt och tidskrävande att designa nya motorer och raketer, är tidpunkten för att byta alltid politiskt omtvistad. Det kongressen mandaterade RD-180-förbudet tvingade fram frågan.

Det finns fyra seriösa utmanare för att bygga den nya raketen: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (ett Boeing–Lockheed Martin joint venture känt under dess initialer, ULA) och Northrop Grumman. Två av dem kommer att väljas, utifrån teorin att att ha två vinnare skapar pågående konkurrens, medan namngivningen av en skulle resultera i ett monopol som sedan skulle kunna vända och urholka flygvapnet. Tusentals jobb står på spel: om ULA förlorar kan det gå i konkurs.

Det första testet av Blue Origins BE-4-motor, i oktober 2017. I början av 2019 bröt Blue Origin mark på en fabrik i Alabama där man planerar att bygga hundratals av motorerna. Artighetsbild

The New Glenn, Blue Origins bidrag i tävlingen, använder BE-4, Blue Origins senaste och mest kraftfulla motor. (Precis som ULA:s raket – de två företagen är samtidigt konkurrenter och affärspartners.) Designen av både BE-4 och SpaceX:s Raptor informeras på avgörande sätt av RD-180. BE-4 är en syrerik stegvis förbränningsmotor, som RD-170 och RD-180. Raptor liknar samtidigt RD-180 genom att den matar förbrännarens avgaser in i förbränningskammaren - vilket säkerställer att nästan allt bränsle och oxidationsmedel som lagras i raketens tankar används för att generera dragkraft. Raptor förlitar sig dock på en justering av Glushkos tillvägagångssätt: både bränslerika och oxiderande flöden driver dess turbopumpar – vilket teoretiskt resulterar i maximal effektivitet.

Den första provskjutningen av SpaceX Raptor-motor, 2016. Tidigare i år skröt Elon Musk på Twitter när Raptorn toppade RD-180:s kammartryck för första gången. Artighetsbild

På ett sätt 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 Glushko gjorde. De har också en annan designfunktion som är viktig för det amerikanska flygvapnet: de är tillverkade i USA.

Den kanske största tekniska fördelen med dessa nya motorer jämfört med RD-180 är att de använder metan som bränsle snarare än fotogen, som RD-180 gör. Fotogen kan förstöra en motors verk efter upprepad användning. Metan har högre specifik impuls och brinner renare. Det är också mycket lättare (i princip) att syntetisera på Mars, vilket Musk siktar på 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 sommaren. Dessa flygningar kommer att vara korta hopp, några tusen fot i luften ovanför SpaceX:s testplats i Texas. Blue Origin testar även BE-4 i Texas, och har börjat bygga en fabrik i Alabama där man ska tillverka motorerna. Man har hyrt Launch Complex 36, där RD-180 först tog flyget, av flygvapnet och planerar att lansera New Glenn där 2021.

Energomash hoppas samtidigt desperat att det ryska rymdprogrammet ska börja använda sina motorer igen. Ungefär 90 % av dess produktion har gått till USA de senaste åren, säger Pavel Luzin, en rymdindustrianalytiker. Liksom sina amerikanska motsvarigheter riskerar Energomash nu att bli föråldrad av Musk och Bezos – som, med sin frihet från äldre designbegränsningar och vilja att spendera pengar och ta risker, äntligen har ryckt raketmotordesign ur decennier av stas.

Matthew Bodner är en journalist i Moskva som skriver om flyg och militär.

Dölj