Fotografia unei rachete care decolează

origin

Cu o oră înainte de apusul soarelui, pe 24 mai 2000, o rachetă neobișnuită a decolat din complexul de lansare 36 de la stația forțelor aeriene Cape Canaveral. La fel ca majoritatea rachetelor, Atlas 3 își moștenise designul dintr-o rachetă balistică intercontinentală - în acest caz, de la prima astfel de rachetă americană, concepută pentru a amenința Uniunea Sovietică cu anihilarea nucleară. Acest lucru nu a fost neobișnuit. Dar racheta a avut o nouă etapă nouă, una care a fost considerabil mai puternică decât cele pe care le-a înlocuit. RD-180, așa cum se numește motorul, a fost construit de NPO Energomash într-o fabrică din afara Moscovei. Într-o căsătorie care ar fi fost de neimaginat la apogeul cursei spațiale, un motor rus alimenta o rachetă americană.

În cele două decenii de atunci, alte 83 de astfel de rachete au decolat din Florida.

Pe Atlas 3 și succesorul său, Atlas 5, RD-180 transporta cel puțin 16 sateliți spion americani pe orbită, împreună cu 13 sateliți militari de comunicații, o jumătate de duzină de sateliți GPS, doi sateliți militari meteo și trei sateliți de avertizare a rachetelor, conceput pentru a detecta lansări de rachete din, printre alte țări, cea în care a fost construită. A lansat patru misiuni americane pe Marte. Lansarea de către NASA a New Horizons la Pluto în 2006 și Juno la Jupiter în 2011 au fost realizate pe spatele RD-180.

Nu vă mulțumiți cu jumătate din poveste.
Obțineți acces gratuit la știrile tehnologice de aici și acum, fără paravane.

MIT Technology Review oferă un filtru inteligent și independent pentru fluxul de informații despre tehnologie.

RD-180 este remarcabil nu numai pentru particularitățile geopolitice ale ascensiunii sale, ci pentru că a fost în multe privințe pur și simplu mai bun decât orice alt motor de rachetă al timpului său. Când, în februarie 2019, Elon Musk a anunțat un test de succes al motorului Raptor al SpaceX, care este destinat să alimenteze racheta Starship a generației următoare, s-a lăudat cu presiunile ridicate atinse în camera de împingere a Raptorului: de peste 265 ori presiunea atmosferică pe mare nivel. Raptor, a spus el pe Twitter, a depășit recordul deținut de câteva decenii de „minunatul RD-180 rus”.

După ce Rusia a anexat Crimeea în 2014, zilele RD-180, ca element de bază al rachetei americane, au fost numărate. Șoimii de apărare au fost mult timp inconfortabili cu aranjamentul, dar motorul a fost foarte bun și, având în vedere capacitatea sa, ieftin - și așa a rămas. Dar, pe măsură ce relațiile cu Rusia s-au destrămat, oponenții congresului la motor, conduși de senatorul John McCain, au reușit să interzică utilizarea motorului în rachete americane după sfârșitul anului 2022. Acest lucru a forțat Forțele Aeriene să găsească o nouă rachetă pentru a reuși Atlas 5 alimentat de RD-180.

Toate acestea ridică o întrebare: Cum a devenit un motor rus vechi de zeci de ani bara împotriva căreia se măsoară cei mai buni oameni de știință ai rachetelor din America?

Dacă doriți să înțelegeți ce a făcut din RD-180 un motor atât de bun, vă ajută să înțelegeți că există o mulțime de ambarcațiuni implicate. Deși sute de oameni colaborează la motoare cu rachete, este vital să ai pe cineva cu un instinct pentru un design bun: compromisurile sunt prea complexe pentru a fi descoperite de forța brută sau de comitet. În cazul RD-180, cineva a fost numit Valentin Glushko.

După ce URSS a pierdut în fața Americii în cursa spre Lună, proiectarea celui mai bun motor rachetă posibil a devenit „o prioritate națională”, potrivit lui Vadim Lukashevich, inginer aerospațial și istoric spațial rus. Liderii sovietici au dorit să construiască cea mai puternică rachetă din lume, Energia, pentru a-și susține stațiile spațiale pe orbita Pământului și pentru a ridica Buran, o viitoare navetă spațială rusă. Lui Glushko i s-au oferit resurse pentru a construi cel mai bun motor pe care l-a putut și a fost bun la construirea motoarelor. Rezultatul a fost RD-170, fratele mai mare al RD-180. Motorul rus RD-180 a alimentat zeci de lansări Atlas V, unii transportând sateliți concepuți să spioneze, printre alte țări, pe cel în care a fost construit.

RD-170 a fost printre primele motoare cu rachetă care au folosit o tehnică numită combustie etapizată. Motorul principal al navetei spațiale americane, dezvoltat și în anii 1970, a fost un alt. În schimb, motoarele F-1 din prima etapă a rachetei Saturn V, care au lansat Apollo pe Lună, aveau un design mai vechi și mai simplu numit motor generator de gaz. Diferența cheie: motoarele cu ardere etapă pot fi mai eficiente, dar prezintă un risc mai mare de explozie. Așa cum explică William Anderson, care studiază motoarele rachete cu combustibil lichid la Universitatea Purdue, „Ratele de eliberare a energiei sunt doar extreme”. Este nevoie de cineva cu o imaginație cu adevărat înțeleaptă, spune Anderson, pentru a înțelege lucrurile nebune care se întâmplă în interiorul camerelor de ardere ale motoarelor rachete. În Rusia, acea persoană înțeleaptă era Glushko.

"S-au investit atât de multe în navetă, încât nimeni de la NASA nu a vrut să vorbească despre dezvoltarea unui motor cu ardere în etape bogat în oxigen ... Oxigenul va arde majoritatea lucrurilor dacă veți furniza o scânteie."

Pentru a înțelege de ce motoarele Glushko au fost o astfel de realizare inginerească, trebuie să devenim puțin tehnici.

Există două măsuri cheie ale performanței unei rachete: forța sau cantitatea de forță pe care o exercită o rachetă și impulsul specific, o măsură a eficienței în care își folosește propulsorii. O rachetă cu forță mare, dar un impuls specific redus nu va atinge orbita - ar trebui să transporte atât de mult combustibil încât greutatea combustibilului ar necesita mai mult combustibil și așa mai departe. Dimpotrivă, o rachetă cu impuls specific ridicat, dar cu forță redusă, nu ar părăsi niciodată solul. (Totuși, astfel de rachete funcționează bine în spațiu, unde este suficientă o împingere constantă.)

Un motor rachetă, la fel ca un motor cu reacție de aeronavă, arde combustibil împreună cu un oxidant - adesea oxigen - pentru a crea gaz fierbinte care se extinde în jos și în afara duzei motorului, accelerând motorul invers. Spre deosebire de motoarele cu reacție, care obțin oxigen din aerul din jurul lor, rachetele trebuie să-și transporte propriul oxigen (sau alt oxidant), deoarece în spațiu, desigur, nu există. La fel ca jeturile, rachetele au nevoie de o modalitate de a forța combustibilul și oxigenul în camera de ardere la presiune ridicată; toate celelalte fiind egale, o presiune mai mare înseamnă o performanță mai bună. Pentru a face acest lucru, rachetele folosesc turbopompe care se rotesc la sute de rotații pe secundă. Turbopompele sunt acționate de turbine și, la rândul lor, sunt alimentate de pre-arzătoare, care, de asemenea, arde combustibil și oxigen.

Diferența crucială între motoarele cu ardere etapă, cum ar fi RD-180 și motoarele cu generatoare de gaz, cum ar fi Saturn’s F-1, constă în ceea ce se întâmplă cu evacuarea acestor pre-arzătoare. În timp ce motoarele generatoare de gaz îl aruncă peste bord, motoarele cu ardere etapizată îl reinjectează în camera principală de ardere. Unul dintre motivele pentru aceasta este că evacuarea conține combustibil neutilizat și oxigen - pre-arzătoarele nu pot arde totul. Aruncarea este un deșeu, care contează într-o rachetă care trebuie să ridice și fiecare kilogram de combustibil și oxigen pe care îl va folosi. Dar reinjectarea eșapamentului presupune echilibrarea delicată a presiunilor și a debitelor relevante, astfel încât motoarele să nu explodeze. Este nevoie de o serie întreagă de turbopompe pentru ao face să funcționeze. Echipele de experți au nevoie, de obicei, de un deceniu sau mai mult de simulare și testare pentru a afla cum să o facă corect.

RD-170 și RD-180 au un alt avantaj. Sunt bogate în oxigen, ceea ce înseamnă exact cum sună: injectează oxigen suplimentar în sistem. (În schimb, motorul principal al navetei spațiale este un motor bogat în combustibil.) Motoarele bogate în oxigen tind să ardă mai curat și să se aprindă mai ușor. De asemenea, fac posibilă o ardere mai mare - presiuni de cameră și, prin urmare, performanțe mai bune -, dar sunt mai predispuși să explodeze, așa că timp de decenii nu au existat eforturi majore pentru a le face să funcționeze în SUA. „S-au investit atât de multe în navetă, încât nimeni de la NASA nu a vrut să vorbească despre dezvoltarea unui motor cu ardere cu etapă bogat în oxigen”, spune Anderson. „Oxigenul va arde majoritatea lucrurilor dacă oferiți o scânteie”. Acest lucru necesită o atenție deosebită la materialele utilizate pentru a construi motorul și o grijă și mai mare pentru a vă asigura că niciun material străin - cum ar fi pete de resturi metalice - nu își face loc vreodată. „Cu cât aflăm mai multe despre fizica a ceea ce se întâmplă în interiorul unei camere de ardere, cu atât ne dăm seama cât de instabil este cu adevărat”, spune Anderson.

Dacă RD-170 a fost, fără îndoială, cel mai bun motor rachetă din generația sa, motorul principal al navetei spațiale a fost, fără îndoială, al doilea cel mai bun (și a fost mult mai scump de fabricat). Niciunul dintre ei nu a fost la înălțimea potențialului său. Motorul navetei spațiale a fost blocat cu o lămâie a unui vehicul, ceea ce era mult mai greoi decât sperau designerii săi. RD-170, pe de altă parte, a zburat doar de două ori: o dată în 1987 și o dată în 1988. Deși dezvoltarea a fost o prioritate națională, până când Glushko a dovedit că funcționează, Uniunea Sovietică era pe punctul de a se destrăma.

Anii 1990 au fost o perioadă tulbure în Rusia, în special pentru programul spațial. Pentru a supraviețui fără finanțare guvernamentală, firmele aerospațiale nou-privatizate s-au orientat către piața comercială.

Atunci Jim Sackett, un inginer care lucrase pentru Lockheed la Johnson Space Center din NASA din Houston, s-a mutat la Moscova. Lockheed a devenit interesat să folosească arderea etapă bogată în oxigen pentru a alimenta următoarea generație de rachete Atlas, cu care planifica să concureze pentru contractele Forțelor Aeriene și NASA.

Sackett, care a fost pus la conducerea biroului de la Lockheed din Moscova, a fost selectat pentru a se apropia de Energomash, o firmă de industrie spațială post-sovietică care a ajuns să dețină RD-170 și tehnologia motorului aferent. Energomash a salutat cu entuziasm interesul lui Lockheed. Dar RD-170 era prea puternic: rachetele Atlas Lockheed căutau să le trimită în spațiu erau considerabil mai mici decât Energia, pentru care fusese proiectat RD-170. Deci, Energomash a tăiat în esență motorul în jumătate - firma a elaborat o propunere pentru un derivat cu două camere din RD-170 cu patru camere care ar putea fi utilizat în Atlas. Aceasta a fost nașterea RD-180.

Relația necesită 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 acolo o fabrică de metalurgie, așa că își forjează propriile metale”, spune el. „Au toate atelierele proprii, toate facilitățile de testare. Este o mulțime de lucruri, toate sub un singur acoperiș. Și în cele din urmă, totul se transformă într-un motor de rachetă. ”

A durat aproximativ un an de întâlniri tehnice zilnice aprofundate între echipa Sackett și directorii și inginerii Energomash pentru a înțelege dacă achizițiile propuse de motoare RD-180 vor funcționa sau nu. Lockheed își dorea un acord mic, fără angajament. Energomash a rezistat pentru un acord pe termen lung. Contractul a fost semnat la sfârșitul unei sesiuni de șase ore de maraton în 1996, spune Sackett. Rezultatul: o tranzacție de 101 miliarde de dolari.

Forțele aeriene americane, principalul client al lui Lockheed, au cerut accesul la 10 tehnologii cheie necesare pentru a produce RD-180, în cazul în care relațiile cu Rusia au fost găsite vreodată și America ar fi trebuit să producă motoarele în sine. A fost o întrebare mare. 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 a avut doar o schimbare de inimă, ci s-au rupt. Tocmai s-au spart. Așa au salvat compania. ”

Deși a fost acordată o atenție sporită cooperării americano-ruse în cadrul Stației Spațiale Internaționale, în multe privințe, colaborarea RD-180 a devenit mai profundă. La urma urmei, stația spațială nu este crucială pentru securitatea națională a oricărei țări, în timp ce sateliții de recunoaștere și comunicații sunt.

Acum, când relațiile dintre cele două țări s-au destrămat, susține Sackett, SUA ar putea produce doar RD-180 pe plan intern. Criticii motorului spun că ar fi astronomic scump să o facă. Dar costul „nu ar trebui să fie astronomic!” Spune Sackett. „Avem oameni deștepți aici și avem rețeta! Acesta este exact motivul pentru care am identificat și am negociat cele 10 tehnologii cheie de fabricație, astfel încât să putem lua desenele și notele și apoi să le construim. ”

Acest lucru nu este probabil să se întâmple, în parte pentru că după decenii de stagnare, companiile americane lucrează în cele din urmă la motoare care ar putea fi mai bune decât RD-180.

Performanța unui motor are o influență profundă asupra designului rachetei de deasupra acestuia. Deci, când Congresul a mandatat 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 cu totul nouă. O astfel de competiție era inevitabilă - la urma urmei, desenele nu durează pentru totdeauna. Dar pentru că proiectarea de noi motoare și rachete este costisitoare și consumă mult timp, momentul pentru efectuarea unui comutator 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 prin inițialele sale, ULA) și Northrop Grumman. Vor fi aleși doi dintre ei, pe baza teoriei că a avea doi câștigători creează o competiție continuă, în timp ce numirea unuia ar avea drept rezultat un monopol care ar putea apoi să se întoarcă și să scotocească Forțele Aeriene. Mii de locuri de muncă sunt puse în joc: dacă ULA pierde, ar putea să nu mai funcționeze. Primul test al motorului BE-4 al Blue Origin, în octombrie 2017. La începutul anului 2019, Blue Origin a început terenul într-o fabrică din Alabama unde intenționează să construiască sute de motoare.

New Glenn, intrarea Blue Origin în competiție, folosește BE-4, cel mai nou și mai puternic motor Blue Origin. (La fel ca racheta ULA - cele două firme sunt simultan concurenți și parteneri de afaceri.) Proiectele atât ale BE-4, cât și ale Raptorului SpaceX sunt informate în moduri cruciale de RD-180. BE-4 este un motor cu ardere bogat în oxigen, ca RD-170 și RD-180. Între timp, Raptor seamănă cu RD-180 prin faptul că alimentează evacuarea pre-arzătorului în camera de ardere - asigurându-se că aproape tot combustibilul și oxidantul stocat în rezervoarele rachetei sunt utilizate 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 oxidanți alimentează turbopompa - rezultând teoretic o eficiență maximă. Primul foc de testare a motorului Raptor SpaceX, în 2016. La începutul acestui an, Elon Musk s-a lăudat pe Twitter când Raptor a depășit pentru prima dată presiunea camerei RD-180.

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

Probabil cel mai mare avantaj tehnic al acestor noi motoare îl are față de RD-180 este că folosesc metan ca combustibil mai degrabă decât kerosen, așa cum face RD-180. Kerosenul poate distruge 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) să sintetizeze pe Marte, ceea ce intenționează să facă Musk.

Niciun motor nou nu a ajuns încă pe orbită. SpaceX planifică zboruri de test ale rachetei sale Starhopper, care va fi alimentată în cele din urmă de trei Raptors, pentru această vară. Aceste zboruri vor fi hamei scurte, la câteva mii de metri în aer deasupra locului de testare al SpaceX din Texas. Blue Origin testează și BE-4 în Texas și a început să construiască o fabrică în Alabama unde va produce motoarele. A închiriat complexul de lansare 36, unde RD-180 a luat primul zbor de la Forțele Aeriene și intenționează să lanseze New Glenn acolo în 2021.

Între timp, Energomash speră cu disperare că programul spațial rus va începe din nou cu motoarele sale. Aproximativ 90% din producția sa a ajuns în SUA în ultimii ani, spune Pavel Luzin, analist al industriei spațiale rusești. La fel ca și omologii săi americani, Energomash riscă acum să devină învechită de Musk și Bezos - care, cu libertatea lor de constrângerile de proiectare moștenite și dorința de a cheltui bani și de a-și asuma riscuri, au scos în cele din urmă designul motorului rachetă din decenii de stază.

Matthew Bodner este un jurnalist la Moscova care scrie despre industria aerospațială și militară.