211service.com
Kunnen SpaceX en Blue Origin het beste een decennia oud Russisch raketmotorontwerp gebruiken?
Foto van een opstijgende raket Bill INgalls/NASA
Een uur voor zonsondergang op 24 mei 2000 steeg een ongebruikelijke raket op vanaf Launch Complex 36 op Cape Canaveral Air Force Station. Zoals de meeste raketten, had de Atlas 3 zijn ontwerp geërfd van een intercontinentale ballistische raket - in dit geval van Amerika's eerste dergelijke raket, ontworpen om de Sovjet-Unie te bedreigen met nucleaire vernietiging. Dit was niet ongebruikelijk. Maar de raket had een nieuwe eerste trap, een die aanzienlijk krachtiger was dan die hij verving. De RD-180, zoals de motor heet, is gebouwd door NPO Energomash in een fabriek buiten Moskou. In een huwelijk dat op het hoogtepunt van de ruimtewedloop ondenkbaar zou zijn geweest, dreef een Russische motor een Amerikaanse raket aan.
In de twee decennia daarna zijn er 83 meer van dergelijke raketten opgestegen vanuit Florida.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2019
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Op de Atlas 3 en zijn opvolger, de Atlas 5, droeg de RD-180 ten minste 16 Amerikaanse spionagesatellieten in een baan om de aarde, samen met 13 militaire communicatiesatellieten, een half dozijn GPS-satellieten, twee militaire weersatellieten en drie raketwaarschuwingssatellieten , ontworpen om raketlanceringen te detecteren vanuit, onder andere, het land waar het is gebouwd. Het lanceerde vier Amerikaanse Mars-missies. NASA's lancering van New Horizons naar Pluto in 2006 en Juno naar Jupiter in 2011 werden beide gemaakt op de achterkant van de RD-180.
De RD-180 is niet alleen opmerkelijk vanwege de geopolitieke eigenaardigheden van zijn opkomst, maar ook omdat hij in veel opzichten eenvoudig was beter dan enige andere raketmotor van zijn tijd. Toen Elon Musk in februari 2019 een succesvolle test aankondigde van de Raptor-motor van SpaceX, die bedoeld is om het ruimteschip Starship van de volgende generatie van het bedrijf aan te drijven, schepte hij op over de hoge druk die in de stuwkamer van de Raptor werd bereikt: meer dan 265 keer de atmosferische druk op zee peil. Raptor, zei hij op Twitter, had het record van tientallen jaren overtroffen door de geweldige Russische RD-180.
Nadat Rusland de Krim in 2014 annexeerde, waren de dagen van de RD-180 als hoofdbestanddeel van Amerikaanse raketten geteld. De haviken van de verdediging hadden zich lange tijd ongemakkelijk gevoeld bij de regeling, maar de motor was zowel erg goed als, gezien zijn capaciteiten, goedkoop - en dat bleef zo. Maar toen de betrekkingen met Rusland verslechterden, slaagden congres-tegenstanders van de motor, onder leiding van senator John McCain, erin om na eind 2022 een verbod op het gebruik van de motor in Amerikaanse raketten uit te vaardigen. Dit heeft de luchtmacht gedwongen een nieuwe raket te vinden om te slagen de RD-180-aangedreven Atlas 5.
Dit alles roept een vraag op: hoe werd een decennia-oude Russische motor de lat waaraan Amerika's beste raketwetenschappers zich meten?
Als je wilt begrijpen wat de RD-180 zo'n goede motor maakte, helpt het om te begrijpen dat er veel ambacht bij betrokken is. Hoewel honderden mensen samenwerken aan raketmotoren, is het essentieel om iemand met een instinct voor goed ontwerp aan het hoofd te hebben: de afwegingen zijn te complex om met bruut geweld of door een commissie te worden bepaald. In het geval van de RD-180 heette die iemand Valentin Glushko.
Nadat de USSR in de race naar de maan van Amerika had verloren, werd het ontwerpen van de best mogelijke raketmotor een nationale prioriteit, volgens Vadim Lukashevich, een ruimtevaartingenieur en een Russische ruimtehistoricus. Sovjetleiders wilden 's werelds krachtigste raket, de Energia, bouwen om hun ruimtestations in een baan om de aarde te ondersteunen en om de Buran, een toekomstige Russische spaceshuttle, op te tillen. Glushko kreeg middelen om de best mogelijke motor te bouwen, en hij was goed in het bouwen van motoren. Het resultaat was de RD-170, de oudere broer van de RD-180.
De Russische RD-180-motor heeft tientallen Atlas V-lanceringen aangedreven, sommige met satellieten die zijn ontworpen om onder meer het land te bespioneren waar het is gebouwd. Craig F. Walker
De RD-170 was een van de eerste raketmotoren die gebruikmaakte van een techniek die gefaseerde verbranding wordt genoemd. De hoofdmotor van de Amerikaanse spaceshuttle, ook ontwikkeld in de jaren zeventig, was een andere. Daarentegen waren de F-1-motoren in de eerste fase van de Saturn V-raket, die Apollo naar de maan lanceerde, van een ouder, eenvoudiger ontwerp, de gasgeneratormotor. Het belangrijkste verschil: motoren met getrapte verbranding kunnen efficiënter zijn, maar ze lopen een groter risico om te exploderen. Zoals William Anderson, die vloeibare brandstof raketmotoren bestudeert aan de Purdue University, uitlegt: De snelheden van het vrijkomen van energie zijn gewoon extreem. Er is iemand met een heel scherpzinnige verbeeldingskracht nodig, zegt Anderson, om de gekke dingen te begrijpen die zich in de verbrandingskamers van raketmotoren afspelen. In Rusland was die scherpzinnige persoon Glushko.
'Er is zoveel geïnvesteerd in de shuttle dat niemand bij NASA wilde praten over het ontwikkelen van een zuurstofrijke getrapte verbrandingsmotor... Zuurstof zal de meeste dingen verbranden als je een vonk geeft.'
Om te begrijpen waarom de motoren van Glushko zo'n technische prestatie waren, moeten we een beetje technisch worden.
Er zijn twee belangrijke maatstaven voor de prestaties van een raket: stuwkracht, of de hoeveelheid kracht die een raket uitoefent, en specifieke impuls, een maatstaf voor hoe efficiënt het zijn drijfgassen gebruikt. Een raket met een hoge stuwkracht maar een lage specifieke impuls zal de baan niet bereiken - hij zou zoveel brandstof moeten vervoeren dat het gewicht van de brandstof meer brandstof nodig zou hebben, enzovoort. Omgekeerd zou een raket met een hoge specifieke impuls maar een lage stuwkracht de grond nooit verlaten. (Dergelijke raketten werken echter goed in de ruimte, waar een constante duw voldoende is.)
Een raketmotor verbrandt, net als een vliegtuigstraalmotor, brandstof samen met een oxidatiemiddel - vaak zuurstof - om heet gas te creëren dat naar beneden en uit het mondstuk van de motor uitzet, waardoor de motor in de andere richting wordt versneld. In tegenstelling tot straalmotoren, die zuurstof uit de lucht om hen heen halen, moeten raketten hun eigen zuurstof (of een ander oxidatiemiddel) vervoeren, aangezien die er in de ruimte natuurlijk niet is. Net als jets hebben raketten een manier nodig om de brandstof en zuurstof onder hoge druk in de verbrandingskamer te dwingen; als al het andere gelijk is, betekent hogere druk betere prestaties. Om dat te doen, gebruiken raketten turbopompen die met honderden omwentelingen per seconde draaien. De turbopompen worden aangedreven door turbines, die op hun beurt worden aangedreven door voorbranders, die eveneens wat brandstof en zuurstof verbranden.
Het cruciale verschil tussen motoren met getrapte verbranding zoals de RD-180 en gasgeneratoren zoals de F-1 van Saturn ligt in wat er gebeurt met de uitlaat van die voorverbranders. Terwijl gasgeneratoren het overboord gooien, injecteren verbrandingsmotoren het opnieuw in de hoofdverbrandingskamer. Een reden om dit te doen is dat de uitlaat ongebruikte brandstof en zuurstof bevat - de voorbranders kunnen niet alles verbranden. Het weggooien is een verspilling, wat belangrijk is in een raket die ook elke pond brandstof en zuurstof moet optillen die hij gaat gebruiken. Maar het opnieuw injecteren van de uitlaat houdt in dat de relevante drukken en stroomsnelheden zorgvuldig worden afgewogen, zodat motoren niet ontploffen. Het vereist een hele reeks turbopompen om het te laten werken. Teams van experts hebben doorgaans een decennium of meer aan simulatie en testen nodig om erachter te komen hoe ze het goed kunnen doen.
De RD-170 en RD-180 hebben nog een ander voordeel. Ze zijn zuurstofrijk, wat precies betekent hoe het klinkt: ze injecteren extra zuurstof in het systeem. (De hoofdmotor van de spaceshuttle is daarentegen een brandstofrijke motor.) Zuurstofrijke motoren hebben de neiging schoner te branden en gemakkelijker te ontsteken. Ze maken ook een hogere verbrandingskamerdruk mogelijk en dus betere prestaties, maar ze zijn meer vatbaar voor ontploffing, dus decennialang zijn er geen grote inspanningen geleverd om ze in de VS te laten werken. Er werd zoveel geïnvesteerd in de shuttle dat niemand bij NASA wilde praten over de ontwikkeling van een zuurstofrijke gefaseerde verbrandingsmotor, zegt Anderson. Zuurstof zal de meeste dingen verbranden als je een vonk geeft. Dit vereist grote zorg voor de materialen die worden gebruikt om de motor te bouwen, en nog meer zorg om ervoor te zorgen dat er geen vreemde materialen, zoals spikkels metaalafval, in de motor terechtkomen. Hoe meer we leren over de fysica van wat er in een verbrandingskamer gebeurt, hoe meer we beseffen hoe onstabiel het werkelijk is, zegt Anderson.
Als de RD-170 misschien wel de beste raketmotor van zijn generatie was, was de hoofdmotor van de spaceshuttle misschien wel de op één na beste (en was hij aanzienlijk duurder om te maken). Geen van beide voldeed aan zijn potentieel. De motor van de spaceshuttle zat vast met een citroen van een voertuig, wat veel omslachtiger was dan de ontwerpers hadden gehoopt. De RD-170 daarentegen vloog slechts twee keer: een keer in 1987 en een keer in 1988. Hoewel de ontwikkeling ervan een nationale prioriteit was geweest, stond de Sovjet-Unie op het punt uiteen te vallen tegen de tijd dat Glushko bewees dat het werkte.
De jaren negentig waren een turbulente tijd in Rusland, vooral voor het ruimteprogramma. Om te overleven zonder overheidsfinanciering, wendden nieuw geprivatiseerde lucht- en ruimtevaartbedrijven zich tot de commerciële markt.
Toen verhuisde Jim Sackett, een ingenieur die voor Lockheed in het Johnson Space Center van NASA in Houston had gewerkt, naar Moskou. Lockheed raakte geïnteresseerd in het gebruik van zuurstofrijke gefaseerde verbranding om de volgende generatie Atlas-raketten aan te drijven, waarmee het van plan was te strijden om contracten van de luchtmacht en NASA.
Sackett, die de leiding kreeg over het kantoor van Lockheed in Moskou, werd aangespoord om Energomash te benaderen, een post-Sovjet-ruimtevaartbedrijf dat eigenaar werd van de RD-170 en aanverwante motortechnologie. Energomash verwelkomde enthousiast de interesse van Lockheed. Maar de RD-170 was te krachtig: de Atlas-raketten die Lockheed de ruimte in wilde sturen waren aanzienlijk kleiner dan de Energia, waarvoor de RD-170 was ontworpen. Dus Energomash sneed de motor in wezen doormidden - het bedrijf maakte een voorstel voor een tweekamerderivaat van de vierkamer RD-170 die in de Atlas zou kunnen worden gebruikt. Dit was de geboorte van de RD-180.
De relatie vereiste een opmerkelijke integratie tussen Russische en Amerikaanse militairen - industriële aannemers. Lockheed richtte een kantoor op in Energomash, in een buitenwijk van Moskou. Het was een enorme operatie, herinnert Sackett zich. Ze hebben daar een metaalfabriek, dus smeden ze hun eigen metalen, zegt hij. Ze hebben allemaal hun eigen machinewerkplaatsen, allemaal hun eigen testfaciliteiten. Het is veel, alles onder één dak. En uiteindelijk verandert het allemaal in een raketmotor.
Het duurde ongeveer een jaar van dagelijkse, diepgaande technische vergaderingen tussen het team van Sackett en de leidinggevenden en ingenieurs van Energomash om te begrijpen of de voorgestelde aankopen van RD-180-motoren zouden werken. Lockheed wilde een kleine, vrijblijvende deal. Energomash hield stand voor een langetermijnregeling. Het contract werd ondertekend aan het einde van een marathonsessie van zes uur in 1996, zegt Sackett. Het resultaat: een deal van 101 motoren en een miljard dollar.
De Amerikaanse luchtmacht, de belangrijkste klant van Lockheed, eiste toegang tot 10 sleuteltechnologieën die nodig waren om de RD-180 te produceren, voor het geval de betrekkingen met Rusland ooit zouden mislukken en Amerika de motoren zelf moest maken. Het was een grote vraag. De VS waren op zoek naar een kroonjuweel van Sovjet-ruimtetechnologie en de Russische regering was niet enthousiast. Maar ze zagen geen alternatief, zegt Sackett, omdat het land niet alleen van gedachten veranderde, ze gingen failliet. Ze gingen gewoon plat. Zo hebben ze het bedrijf gered.
Hoewel er meer aandacht is besteed aan de Amerikaans-Russische samenwerking op het internationale ruimtestation, ging de RD-180-samenwerking in veel opzichten dieper. Het ruimtestation is immers niet cruciaal voor de nationale veiligheid van beide landen, terwijl verkennings- en communicatiesatellieten dat wel zijn.
Nu de betrekkingen tussen de twee landen zijn verslechterd, stelt Sackett, zouden de VS de RD-180 gewoon in eigen land kunnen produceren. Critici van de motor zeggen dat het astronomisch duur zou zijn om dit te doen. Maar de kosten mogen niet astronomisch zijn! zegt Sacket. We hebben slimme mensen hier, en we hebben het recept! Dit is precies waarom we die 10 belangrijkste productietechnologieën hebben geïdentificeerd en onderhandeld, zodat we de tekeningen en de aantekeningen konden maken en ze vervolgens konden gaan bouwen.
Dat zal waarschijnlijk niet gebeuren, deels omdat Amerikaanse bedrijven na decennia van stagnatie eindelijk werken aan motoren die misschien wel beter zijn dan de RD-180.
De prestaties van een motor hebben grote invloed op het ontwerp van de raket erboven. Dus toen het Congres de luchtmacht opdracht gaf om de RD-180 niet meer te gebruiken, lokte dit een concurrentie uit, niet alleen voor een nieuwe motor, maar voor een geheel nieuwe raket. Zo'n wedstrijd was onvermijdelijk - ontwerpen duren tenslotte niet eeuwig. Maar omdat het ontwerpen van nieuwe motoren en raketten duur en tijdrovend is, is de timing voor het maken van een overstap altijd politiek omstreden. Het door het congres opgelegde RD-180-verbod dwong de kwestie af.
Er zijn vier serieuze kanshebbers om die nieuwe raket te bouwen: SpaceX, Blue Origin, de United Launch Alliance (een joint venture tussen Boeing en Lockheed Martin, bekend onder de initialen ULA) en Northrop Grumman. Twee van hen zullen worden gekozen, op basis van de theorie dat het hebben van twee winnaars voor voortdurende concurrentie zorgt, terwijl het noemen van één zou resulteren in een monopolie dat zich vervolgens zou kunnen omdraaien en de luchtmacht zou kunnen uithollen. Duizenden banen staan op het spel: als ULA verliest, kan het failliet gaan.
De eerste test van Blue Origin's BE-4-motor, in oktober 2017. Begin 2019 brak Blue Origin de grond in een fabriek in Alabama waar het van plan is honderden van de motoren te bouwen. Hoffelijkheidsafbeelding
De New Glenn, de inzending van Blue Origin in de competitie, maakt gebruik van de BE-4, de nieuwste en krachtigste motor van Blue Origin. (Net als de raket van ULA - de twee bedrijven zijn tegelijkertijd concurrenten en zakenpartners.) De ontwerpen van zowel de BE-4 als de Raptor van SpaceX worden op cruciale manieren geïnformeerd door de RD-180. De BE-4 is een zuurstofrijke verbrandingsmotor, zoals de RD-170 en RD-180. De Raptor lijkt ondertussen op de RD-180 omdat hij de uitlaat van de voorbrander in de verbrandingskamer voedt, waardoor bijna alle brandstof en oxidatiemiddel die in de tanks van de raket zijn opgeslagen, wordt gebruikt om stuwkracht te genereren. De Raptor vertrouwt echter op een aanpassing aan de benadering van Glushko: zowel brandstofrijke als oxiderende stromen drijven zijn turbopompen aan, wat theoretisch resulteert in maximale efficiëntie.
De eerste test van de Raptor-motor van SpaceX, in 2016. Eerder dit jaar schepte Elon Musk op Twitter op toen de Raptor voor het eerst de kamerdruk van de RD-180 bereikte. Hoffelijkheidsafbeelding
In zekere zin zijn de BE-4 en Raptor als een poging om met moderne methoden een betere viool te bouwen dan Stradivarius deed. Blue Origin en SpaceX hebben toegang tot betere diagnostiek en meer geavanceerde simulatietechnieken dan Glushko deed. Ze hebben ook nog een ander ontwerpkenmerk dat belangrijk is voor de Amerikaanse luchtmacht: ze zijn gemaakt in de VS.
Misschien wel het grootste technische voordeel van deze nieuwe motoren ten opzichte van de RD-180 is dat ze methaan als brandstof gebruiken in plaats van kerosine, zoals de RD-180 doet. Kerosine kan na herhaaldelijk gebruik de werking van een motor bederven. Methaan heeft een hogere specifieke impuls en brandt schoner. Het is ook veel gemakkelijker (in principe) om op Mars te synthetiseren, wat Musk wil doen.
Geen van beide nieuwe motoren heeft nog een baan om de aarde bereikt. SpaceX plant voor deze zomer testvluchten van zijn Starhopper-raket, die uiteindelijk zal worden aangedreven door drie Raptors. Deze vluchten zullen korte sprongen zijn, een paar duizend voet in de lucht boven de testlocatie van SpaceX in Texas. Blue Origin test ook de BE-4 in Texas en is begonnen met de bouw van een fabriek in Alabama waar het de motoren gaat produceren. Het heeft Launch Complex 36 gehuurd, waar de RD-180 voor het eerst is gevlogen, van de luchtmacht en is van plan om de New Glenn daar in 2021 te lanceren.
Energomash hoopt ondertussen wanhopig dat het Russische ruimteprogramma zijn motoren weer gaat gebruiken. Ongeveer 90% van de productie is de afgelopen jaren naar de VS gegaan, zegt Pavel Loezin, een Russische analist in de ruimtevaartindustrie. Net als zijn Amerikaanse tegenhangers, loopt Energomash nu het risico achterhaald te worden door Musk en Bezos - die, met hun vrijheid van oude ontwerpbeperkingen en bereidheid om geld uit te geven en risico's te nemen, eindelijk het ontwerp van raketmotoren uit tientallen jaren van stilstand hebben gehaald.
Matthew Bodner is een journalist in Moskou die schrijft over ruimtevaart en het leger.