SpaceX e Blue Origin possono migliorare un design di un motore a razzo russo vecchio di decenni?

Foto di un razzo in decollo Bill INgalls/NASA

Un'ora prima del tramonto del 24 maggio 2000, un insolito razzo è decollato dal Launch Complex 36 della Cape Canaveral Air Force Station. Come la maggior parte dei razzi, l'Atlas 3 aveva ereditato il suo design da un missile balistico intercontinentale, in questo caso dal primo missile americano di questo tipo, progettato per minacciare l'Unione Sovietica di annientamento nucleare. Questo non era insolito. Ma il razzo aveva un nuovo primo stadio, notevolmente più potente di quelli che aveva sostituito. L'RD-180, come viene chiamato il motore, è stato costruito da NPO Energomash in una fabbrica fuori Mosca. In un matrimonio che sarebbe stato inimmaginabile al culmine della corsa allo spazio, un motore russo stava alimentando un razzo americano.

Nei due decenni successivi, altri 83 razzi di questo tipo sono decollati dalla Florida.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2019

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Sull'Atlas 3 e sul suo successore, l'Atlas 5, l'RD-180 trasportava in orbita almeno 16 satelliti spia americani, insieme a 13 satelliti per comunicazioni militari, una mezza dozzina di satelliti GPS, due satelliti meteorologici militari e tre satelliti di allarme missilistico , progettato per rilevare i lanci di razzi provenienti, tra gli altri paesi, da quello in cui è stato costruito. Ha lanciato quattro missioni americane su Marte. Il lancio da parte della NASA di New Horizons su Plutone nel 2006 e Juno su Giove nel 2011 sono stati entrambi effettuati sul retro dell'RD-180.

L'RD-180 è notevole non solo per le peculiarità geopolitiche della sua ascesa alla ribalta, ma perché per molti versi era semplicemente meglio di qualsiasi altro motore a razzo del suo tempo. Quando, nel febbraio 2019, Elon Musk ha annunciato un test di successo del motore Raptor di SpaceX, destinato ad alimentare il razzo Starship di nuova generazione dell'azienda, si è vantato delle alte pressioni raggiunte nella camera di spinta del Raptor: oltre 265 volte la pressione atmosferica in mare livello. Raptor, ha detto su Twitter, ha superato il record detenuto per diversi decenni dal fantastico RD-180 russo.

Dopo che la Russia ha annesso la Crimea nel 2014, i giorni dell'RD-180 come base dei missili americani sono stati contati. I falchi della difesa erano stati a lungo a disagio con l'accordo, ma il motore era sia molto buono che, data la sua capacità, economico, e così è rimasto. Ma mentre le relazioni con la Russia si logoravano, gli oppositori del Congresso al motore, guidati dal senatore John McCain, sono riusciti a far approvare un divieto contro l'uso del motore nei razzi americani dopo la fine del 2022. Ciò ha costretto l'Air Force a trovare un nuovo razzo per avere successo l'Atlas 5 con motore RD-180.

Tutto ciò solleva una domanda: in che modo un motore russo vecchio di decenni è diventato la barra contro la quale i migliori scienziati missilistici americani si misurano?

Se vuoi capire cosa ha reso l'RD-180 un motore così buono, aiuta a capire che c'è una grande quantità di imbarcazioni coinvolte. Sebbene centinaia di persone collaborino ai motori a razzo, avere al comando qualcuno con un istinto per un buon design è fondamentale: i compromessi sono troppo complessi per essere calcolati con la forza bruta o da un comitato. Nel caso dell'RD-180, quel qualcuno si chiamava Valentin Glushko.

Dopo che l'URSS ha perso contro l'America nella corsa alla luna, la progettazione del miglior motore a razzo possibile è diventata una priorità nazionale, secondo Vadim Lukashevich, ingegnere aerospaziale e storico spaziale russo. I leader sovietici volevano costruire il razzo più potente del mondo, l'Energia, per sostenere le loro stazioni spaziali nell'orbita terrestre e per sollevare il Buran, un aspirante space shuttle russo. Glushko ha ricevuto risorse per costruire il miglior motore possibile ed era bravo a costruire motori. Il risultato fu l'RD-170, il fratello maggiore dell'RD-180.

Il motore russo RD-180 ha alimentato dozzine di lanci Atlas V, alcuni dei quali trasportano satelliti progettati per spiare, tra gli altri paesi, quello in cui è stato costruito. Craig F. Walker

L'RD-170 è stato tra i primi motori a razzo a utilizzare una tecnica chiamata combustione a fasi. Il motore principale dello space shuttle statunitense, anch'esso sviluppato negli anni '70, era un altro. Al contrario, i motori F-1 nel primo stadio del razzo Saturn V, che lanciò l'Apollo sulla luna, avevano un design più vecchio e più semplice chiamato motore a gas. La differenza fondamentale: i motori a combustione a stadi possono essere più efficienti, ma corrono un rischio maggiore di esplodere. Come spiega William Anderson, che studia motori a razzo a combustibile liquido alla Purdue University, i tassi di rilascio di energia sono semplicemente estremi. Ci vuole qualcuno con un'immaginazione davvero astuta, dice Anderson, per capire le cose pazze che accadono all'interno delle camere di combustione dei motori a razzo. In Russia, quella persona astuta era Glushko.

'Ci sono stati così tanti investimenti nella navetta che nessuno alla NASA ha voluto parlare dello sviluppo di un motore a combustione a fasi ricco di ossigeno ... L'ossigeno brucerà la maggior parte delle cose se fornisci una scintilla'.

Per capire perché i motori di Glushko sono stati un tale risultato ingegneristico, dobbiamo diventare un po' tecnici.

Esistono due misure chiave delle prestazioni di un razzo: la spinta, o la quantità di forza che un razzo esercita, e l'impulso specifico, una misura dell'efficienza con cui utilizza i suoi propellenti. Un razzo con una spinta elevata ma un impulso specifico basso non raggiungerà l'orbita: dovrebbe trasportare così tanto carburante che il peso del carburante richiederebbe più carburante e così via. Al contrario, un razzo con un impulso specifico elevato ma una spinta bassa non lascerebbe mai il suolo. (Tali razzi funzionano bene nello spazio, tuttavia, dove è sufficiente una spinta costante.)

Un motore a razzo, proprio come un motore a reazione di un aereo, brucia carburante insieme a un ossidante, spesso ossigeno, per creare gas caldo che si espande verso il basso e fuori dall'ugello del motore, accelerando il motore nell'altro senso. A differenza dei motori a reazione, che ottengono ossigeno dall'aria che li circonda, i razzi devono trasportare il proprio ossigeno (o altro ossidante), poiché nello spazio, ovviamente, non ce n'è. Come i jet, i razzi hanno bisogno di un modo per forzare il carburante e l'ossigeno nella camera di combustione ad alta pressione; a parità di condizioni, una pressione maggiore significa prestazioni migliori. Per fare ciò, i razzi utilizzano turbopompe che girano a centinaia di rotazioni al secondo. Le turbopompe sono azionate da turbine e, a loro volta, sono alimentate da pre-bruciatori, che allo stesso modo bruciano un po' di carburante e ossigeno.

La differenza cruciale tra motori a combustione graduale come l'RD-180 e motori a gas come l'F-1 di Saturno risiede in ciò che accade allo scarico di quei pre-bruciatori. Mentre i motori a gas lo scaricano fuori bordo, i motori a combustione a stadi lo reimmettono nella camera di combustione principale. Uno dei motivi per farlo è che lo scarico contiene carburante e ossigeno inutilizzati: i pre-bruciatori non possono bruciarlo tutto. Buttarlo via è uno spreco, che conta in un razzo che deve anche sollevare ogni libbra di carburante e ossigeno che utilizzerà. Ma reiniettare lo scarico comporta bilanciare delicatamente le pressioni e le portate rilevanti in modo che i motori non esplodano. Richiede tutta una serie di turbopompe per farlo funzionare. I team di esperti in genere necessitano di un decennio o più di simulazioni e test per capire come risolverli.

L'RD-170 e l'RD-180 hanno un altro vantaggio. Sono ricchi di ossigeno, il che significa esattamente quello che sembra: iniettano ossigeno extra nel sistema. (Il motore principale dello space shuttle, al contrario, è un motore ricco di carburante.) I motori ricchi di ossigeno tendono a bruciare in modo più pulito e ad accendersi più facilmente. Rendono anche possibile una combustione più elevata - pressioni della camera e quindi prestazioni migliori - ma sono più inclini a esplodere, quindi per decenni non ci sono stati grandi sforzi per farli funzionare negli Stati Uniti. C'è stato così tanto investito nella navetta che nessuno alla NASA ha voluto parlare dello sviluppo di un motore a combustione a fasi ricco di ossigeno, dice Anderson. L'ossigeno brucerà la maggior parte delle cose se fornisci una scintilla. Ciò richiede grande cura nei materiali utilizzati per costruire il motore e una cura ancora maggiore nell'assicurarsi che nessun materiale estraneo, come granelli di detriti metallici, si insinuino mai al suo interno. Più impariamo sulla fisica di ciò che accade all'interno di una camera di combustione, più ci rendiamo conto di quanto sia instabile, afferma Anderson.

Se l'RD-170 era senza dubbio il miglior motore a razzo della sua generazione, il motore principale dello space shuttle era probabilmente il secondo migliore (ed era sostanzialmente più costoso da realizzare). Nessuno dei due è stato all'altezza del suo potenziale. Il motore dello space shuttle era bloccato con un veicolo a forma di limone, che era molto più ingombrante di quanto i suoi progettisti avessero sperato che fosse. L'RD-170, d'altra parte, ha volato solo due volte: una nel 1987 e una nel 1988. Sebbene lo sviluppo fosse stata una priorità nazionale, quando Glushko ha dimostrato che funzionava, l'Unione Sovietica stava per crollare.

Gli anni '90 sono stati un periodo turbolento in Russia, soprattutto per il programma spaziale. Per sopravvivere senza finanziamenti governativi, le aziende aerospaziali recentemente privatizzate si sono rivolte al mercato commerciale.

Fu allora che Jim Sackett, un ingegnere che aveva lavorato per la Lockheed al Johnson Space Center della NASA a Houston, si trasferì a Mosca. Lockheed si interessò all'utilizzo di una combustione a fasi ricca di ossigeno per alimentare la prossima generazione di razzi Atlas, con i quali intendeva competere per i contratti dell'Air Force e della NASA.

Sackett, che è stato incaricato dell'ufficio di Mosca della Lockheed, è stato chiamato a contattare Energomash, un'azienda dell'industria spaziale post-sovietica che è arrivata a possedere l'RD-170 e la relativa tecnologia dei motori. Energomash ha accolto con entusiasmo l'interesse di Lockheed. Ma l'RD-170 era troppo potente: i razzi Atlas che Lockheed stava cercando di inviare nello spazio erano considerevolmente più piccoli dell'Energia, per il quale era stato progettato l'RD-170. Quindi Energomash ha sostanzialmente dimezzato il motore: l'azienda ha elaborato una proposta per un derivato a due camere dell'RD-170 a quattro camere che potrebbe essere utilizzato nell'Atlante. Questa è stata la nascita dell'RD-180.

La relazione richiedeva una notevole integrazione tra gli appaltatori militari e industriali russi e americani. Lockheed ha aperto un ufficio a Energomash, in un sobborgo di Mosca. È stata un'operazione enorme, ricorda Sackett. Hanno un impianto di metallurgia lì, quindi forgiano i propri metalli, dice. Hanno tutte le proprie officine meccaniche, tutte le proprie strutture di prova. È un sacco di cose, tutte sotto lo stesso tetto. E alla fine, tutto si trasforma in un motore a razzo.

Ci sono voluti circa un anno di incontri tecnici quotidiani e approfonditi tra il team di Sackett e i dirigenti e gli ingegneri di Energomash per capire se gli acquisti proposti di motori RD-180 avrebbero funzionato o meno. Lockheed voleva un piccolo accordo senza impegno. Energomash ha resistito per un accordo a lungo termine. Il contratto è stato firmato al termine di una sessione di sei ore di maratona nel 1996, dice Sackett. Il risultato: un affare da 101 motori e miliardi di dollari.

L'aeronautica americana, il principale cliente di Lockheed, ha richiesto l'accesso a 10 tecnologie chiave necessarie per produrre l'RD-180, nel caso in cui le relazioni con la Russia fossero mai naufragate e l'America avesse dovuto produrre i motori da sola. Era una grande domanda. Gli Stati Uniti erano alla ricerca di un gioiello della corona della tecnologia spaziale sovietica e il governo russo non ne era entusiasta. Ma non hanno visto alternative, dice Sackett, perché il paese non solo ha cambiato idea, ma è andato in rovina. Sono appena andati a pezzi. È così che hanno salvato l'azienda.

Sebbene sia stata prestata maggiore attenzione alla cooperazione americano-russa sulla Stazione Spaziale Internazionale, per molti aspetti la collaborazione con RD-180 è andata più a fondo. Dopotutto, la stazione spaziale non è cruciale per la sicurezza nazionale di nessuno dei due paesi, mentre lo sono i satelliti per la ricognizione e le comunicazioni.

Ora che le relazioni tra i due paesi si sono logorate, sostiene Sackett, gli Stati Uniti potrebbero semplicemente produrre l'RD-180 a livello nazionale. I critici del motore affermano che sarebbe astronomicamente costoso farlo. Ma il costo non dovrebbe essere astronomico! dice Sacket. Abbiamo persone intelligenti qui e abbiamo la ricetta! Questo è esattamente il motivo per cui abbiamo identificato e negoziato quelle 10 tecnologie di produzione chiave, in modo da poter prendere i disegni e le note e poi costruirli.

È improbabile che ciò accada, in parte perché dopo decenni di stagnazione, le aziende americane stanno finalmente lavorando su motori che potrebbero essere migliori dell'RD-180.

Le prestazioni di un motore hanno una profonda influenza sul design del razzo sopra di esso. Quindi, quando il Congresso ha imposto che l'Air Force smettesse di usare l'RD-180, ciò ha provocato una competizione non solo per un nuovo motore, ma per un razzo completamente nuovo. Una tale competizione era inevitabile: dopotutto, i design non durano per sempre. Ma poiché la progettazione di nuovi motori e razzi è costosa e richiede tempo, i tempi per effettuare un passaggio sono sempre politicamente controversi. Il divieto RD-180 imposto dal Congresso ha forzato la questione.

Ci sono quattro seri contendenti per costruire quel nuovo razzo: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (una joint venture Boeing-Lockheed Martin conosciuta con le sue iniziali, ULA) e Northrop Grumman. Due di loro verranno scelti, sulla base della teoria che avere due vincitori crei una competizione continua, mentre nominarne uno si tradurrebbe in un monopolio che potrebbe poi ribaltare e scalfire l'Air Force. Sono in gioco migliaia di posti di lavoro: se ULA perde, potrebbe fallire.

Il primo test del motore BE-4 di Blue Origin, nell'ottobre 2017. All'inizio del 2019, Blue Origin ha aperto i battenti in una fabbrica dell'Alabama dove prevede di costruire centinaia di motori. Immagine di cortesia

Il New Glenn, l'ingresso di Blue Origin nella competizione, utilizza il BE-4, il motore più nuovo e potente di Blue Origin. (Come fa il razzo di ULA: le due aziende sono contemporaneamente concorrenti e partner commerciali.) I progetti sia del BE-4 che del Raptor di SpaceX sono informati in modo cruciale dall'RD-180. Il BE-4 è un motore a combustione a fasi ricco di ossigeno, come l'RD-170 e l'RD-180. Il Raptor, nel frattempo, assomiglia all'RD-180 in quanto alimenta lo scarico del pre-bruciatore nella camera di combustione, assicurando che quasi tutto il carburante e l'ossidante immagazzinati nei serbatoi del razzo vengano utilizzati per generare spinta. Tuttavia, il Raptor si basa su una modifica all'approccio di Glushko: sia i flussi ricchi di carburante che quelli ricchi di ossidante alimentano le sue turbopompe, ottenendo teoricamente la massima efficienza.

Il primo test di accensione del motore Raptor di SpaceX, nel 2016. All'inizio di quest'anno, Elon Musk si è vantato su Twitter quando il Raptor ha superato per la prima volta la pressione della camera dell'RD-180. Immagine di cortesia

In un certo senso, il BE-4 e il Raptor sono come un tentativo di costruire un violino migliore di quello Stradivari, usando metodi moderni. Blue Origin e SpaceX hanno accesso a una diagnostica migliore e a tecniche di simulazione più sofisticate rispetto a Glushko. Hanno anche un'altra caratteristica di design importante per l'aeronautica americana: sono realizzati negli Stati Uniti.

Forse il più grande vantaggio tecnico di questi nuovi motori rispetto all'RD-180 è che usano il metano come carburante anziché il cherosene, come fa l'RD-180. Il cherosene può rovinare il lavoro di un motore dopo un uso ripetuto. Il metano ha un impulso specifico più elevato e brucia in modo più pulito. È anche molto più facile (in linea di principio) sintetizzare su Marte, cosa che Musk mira a fare.

Nessuno dei nuovi motori ha ancora raggiunto l'orbita. SpaceX sta pianificando voli di prova del suo razzo Starhopper, che alla fine sarà alimentato da tre Raptor, per questa estate. Questi voli saranno brevi salti, a poche migliaia di piedi nell'aria sopra il sito di test di SpaceX in Texas. Blue Origin sta anche testando il BE-4 in Texas e ha iniziato a costruire una fabbrica in Alabama dove produrrà i motori. Ha noleggiato il Launch Complex 36, dove l'RD-180 ha preso il volo per la prima volta, dall'Air Force e prevede di lanciare il New Glenn lì nel 2021.

Energomash, nel frattempo, spera disperatamente che il programma spaziale russo ricominci a utilizzare i suoi motori. Circa il 90% della sua produzione è andata negli Stati Uniti negli ultimi anni, afferma Pavel Luzin, analista dell'industria spaziale russa. Come le sue controparti americane, Energomash ora rischia di essere reso obsoleto da Musk e Bezos, che, con la loro libertà dai vincoli di progettazione legacy e la volontà di spendere soldi e correre rischi, hanno finalmente scosso il design del motore a razzo da decenni di stasi.

Matthew Bodner è un giornalista di Mosca che scrive di aerospaziale e militare.

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