¿Pueden SpaceX y Blue Origin superar un diseño de motor de cohete ruso de hace décadas?

foto de un cohete despegando Bill INgalls/NASA

Una hora antes del atardecer del 24 de mayo de 2000, un cohete inusual despegó del Complejo de Lanzamiento 36 en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral. Como la mayoría de los cohetes, el Atlas 3 había heredado su diseño de un misil balístico intercontinental, en este caso, del primer misil de este tipo de Estados Unidos, diseñado para amenazar a la Unión Soviética con la aniquilación nuclear. Esto no era inusual. Pero el cohete tenía una nueva primera etapa, una que era considerablemente más poderosa que las que reemplazaba. El RD-180, como se llama el motor, fue construido por NPO Energomash en una fábrica en las afueras de Moscú. En un matrimonio que habría sido inimaginable en el apogeo de la carrera espacial, un motor ruso impulsaba un cohete estadounidense.

En las dos décadas posteriores, 83 cohetes más de este tipo han despegado de Florida.

Esta historia fue parte de nuestra edición de julio de 2019

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En el Atlas 3 y su sucesor, el Atlas 5, el RD-180 llevó al menos 16 satélites espía estadounidenses a la órbita, junto con 13 satélites de comunicaciones militares, media docena de satélites GPS, dos satélites meteorológicos militares y tres satélites de advertencia de misiles. , diseñado para detectar lanzamientos de cohetes desde, entre otros países, aquel donde fue construido. Lanzó cuatro misiones estadounidenses a Marte. El lanzamiento de New Horizons a Plutón de la NASA en 2006 y Juno a Júpiter en 2011 se realizaron en la parte posterior del RD-180.

El RD-180 es notable no solo por las peculiaridades geopolíticas de su ascenso a la prominencia, sino porque en muchos sentidos fue simplemente mejor que cualquier otro motor de cohete de su tiempo. Cuando, en febrero de 2019, Elon Musk anunció una prueba exitosa del motor Raptor de SpaceX, que está destinado a impulsar el cohete Starship de próxima generación de la compañía, se jactó de las altas presiones alcanzadas en la cámara de empuje del Raptor: más de 265 veces la presión atmosférica en el mar. nivel. Raptor, dijo en Twitter, había superado el récord que ostentaba durante varias décadas el impresionante RD-180 ruso.

Después de que Rusia anexó Crimea en 2014, los días del RD-180 como elemento básico de los cohetes estadounidenses estaban contados. Los halcones de la defensa se habían sentido incómodos durante mucho tiempo con el arreglo, pero el motor era muy bueno y, dada su capacidad, barato, y así se mantuvo. Pero a medida que las relaciones con Rusia se deterioraron, los opositores del motor en el Congreso, encabezados por el senador John McCain, lograron aprobar una prohibición contra el uso del motor en cohetes estadounidenses después de finales de 2022. Esto ha obligado a la Fuerza Aérea a encontrar un nuevo cohete para tener éxito. el Atlas 5 con motor RD-180.

Todo lo cual plantea una pregunta: ¿Cómo se convirtió un motor ruso de décadas de antigüedad en el listón con el que se miden los mejores científicos espaciales de Estados Unidos?

Si desea comprender qué hizo que el RD-180 fuera un motor tan bueno, es útil comprender que hay una gran cantidad de artesanía involucrada. Aunque cientos de personas colaboran en los motores de cohetes, tener a alguien con instinto para un buen diseño a cargo es vital: las compensaciones son demasiado complejas para ser resueltas por la fuerza bruta o por un comité. En el caso del RD-180, ese alguien se llamaba Valentin Glushko.

Después de que la URSS perdiera ante Estados Unidos en la carrera hacia la luna, diseñar el mejor motor de cohete posible se convirtió en una prioridad nacional, según Vadim Lukashevich, ingeniero aeroespacial e historiador espacial ruso. Los líderes soviéticos querían construir el cohete más poderoso del mundo, el Energia, para sostener sus estaciones espaciales en la órbita terrestre y levantar el Buran, un posible transbordador espacial ruso. Glushko recibió recursos para construir el mejor motor que pudo, y era bueno construyendo motores. El resultado fue el RD-170, el hermano mayor del RD-180.

El motor ruso RD-180 ha impulsado decenas de lanzamientos de Atlas V, algunos con satélites diseñados para espiar, entre otros países, aquel en el que se construyó. craig f walker

El RD-170 fue uno de los primeros motores de cohetes en utilizar una técnica llamada combustión por etapas. El motor principal del transbordador espacial estadounidense, también desarrollado en la década de 1970, fue otro. Por el contrario, los motores F-1 en la primera etapa del cohete Saturno V, que lanzó el Apolo a la luna, tenían un diseño más antiguo y simple llamado motor generador de gas. La diferencia clave: los motores de combustión por etapas pueden ser más eficientes, pero tienen un mayor riesgo de explotar. Como explica William Anderson, que estudia motores de cohetes de combustible líquido en la Universidad de Purdue, las tasas de liberación de energía son simplemente extremas. Se necesita alguien con una imaginación muy astuta, dice Anderson, para comprender las cosas locas que suceden dentro de las cámaras de combustión de los motores de cohetes. En Rusia, ese astuto era Glushko.

'Se invirtió tanto en el transbordador que nadie en la NASA quería hablar sobre el desarrollo de un motor de combustión por etapas rico en oxígeno... El oxígeno quemará la mayoría de las cosas si se proporciona una chispa'.

Para comprender por qué los motores de Glushko fueron un logro de ingeniería tan grande, necesitamos ser un poco más técnicos.

Hay dos medidas clave del rendimiento de un cohete: el empuje, o la cantidad de fuerza que ejerce un cohete, y el impulso específico, una medida de la eficiencia con la que utiliza sus propulsores. Un cohete con un empuje alto pero un impulso específico bajo no alcanzará la órbita; tendría que llevar tanto combustible que el peso del combustible necesitaría más combustible, y así sucesivamente. Por el contrario, un cohete con un impulso específico alto pero un empuje bajo nunca despegaría del suelo. (Sin embargo, estos cohetes funcionan bien en el espacio, donde basta con un impulso constante).

Un motor de cohete, al igual que un motor a reacción de avión, quema combustible junto con un oxidante, a menudo oxígeno, para crear gas caliente que se expande hacia abajo y hacia afuera de la boquilla del motor, acelerando el motor hacia el otro lado. A diferencia de los motores a reacción, que obtienen oxígeno del aire que los rodea, los cohetes necesitan transportar su propio oxígeno (u otro oxidante), ya que en el espacio, por supuesto, no hay ninguno. Al igual que los jets, los cohetes necesitan una forma de forzar el combustible y el oxígeno a la cámara de combustión a alta presión; siendo todo lo demás igual, una presión más alta significa un mejor rendimiento. Para ello, los cohetes utilizan turbobombas que giran a cientos de revoluciones por segundo. Las turbobombas son impulsadas por turbinas y éstas, a su vez, son accionadas por prequemadores, que también queman algo de combustible y oxígeno.

La diferencia crucial entre los motores de combustión por etapas como el RD-180 y los motores generadores de gas como el F-1 de Saturn radica en lo que sucede con los gases de escape de esos prequemadores. Mientras que los motores de generadores de gas lo arrojan por la borda, los motores de combustión por etapas lo reinyectan en la cámara de combustión principal. Una de las razones para hacer esto es que el escape contiene combustible y oxígeno sin usar: los prequemadores no pueden quemarlo todo. Tirarlo es un desperdicio, lo que importa en un cohete que también tiene que levantar cada libra de combustible y oxígeno que va a usar. Pero reinyectar el escape implica equilibrar delicadamente las presiones y caudales relevantes para que los motores no exploten. Requiere toda una serie de turbobombas para que funcione. Los equipos de expertos normalmente necesitan una década o más de simulación y pruebas para descubrir cómo hacerlo bien.

El RD-170 y el RD-180 tienen otra ventaja. Son ricos en oxígeno, lo que significa exactamente lo que parece: inyectan oxígeno extra en el sistema. (El motor principal del transbordador espacial, por el contrario, es un motor rico en combustible). Los motores ricos en oxígeno tienden a quemarse más limpiamente y encenderse más fácilmente. También hacen posible una mayor combustión (presiones en la cámara y, por lo tanto, un mejor rendimiento), pero son más propensos a explotar, por lo que durante décadas no hubo grandes esfuerzos para hacerlos funcionar en los EE. UU. Se invirtió tanto en el transbordador que nadie en la NASA quería hablar sobre el desarrollo de un motor de combustión por etapas rico en oxígeno, dice Anderson. El oxígeno quemará la mayoría de las cosas si proporcionas una chispa. Esto requiere un gran cuidado en los materiales utilizados para construir el motor, y un cuidado aún mayor en asegurarse de que ningún material extraño, como motas de desechos metálicos, entre en él. Cuanto más aprendemos sobre la física de lo que sucede dentro de una cámara de combustión, más nos damos cuenta de lo inestable que es en realidad, dice Anderson.

Si el RD-170 fue posiblemente el mejor motor de cohete de su generación, el motor principal del transbordador espacial fue posiblemente el segundo mejor (y fue sustancialmente más costoso de fabricar). Ninguno estuvo a la altura de su potencial. El motor del transbordador espacial estaba atascado con un vehículo de limón, que era mucho más engorroso de lo que sus diseñadores esperaban que fuera. El RD-170, por otro lado, voló solo dos veces: una en 1987 y otra en 1988. Aunque desarrollarlo había sido una prioridad nacional, cuando Glushko demostró que funcionaba, la Unión Soviética estaba a punto de desmoronarse.

La década de 1990 fue una época turbulenta en Rusia, especialmente para el programa espacial. Para sobrevivir sin financiamiento del gobierno, las empresas aeroespaciales recién privatizadas recurrieron al mercado comercial.

Fue entonces cuando Jim Sackett, un ingeniero que había estado trabajando para Lockheed en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, se mudó a Moscú. Lockheed se interesó en utilizar la combustión por etapas rica en oxígeno para impulsar la próxima generación de cohetes Atlas, con los que planeaba competir por los contratos de la Fuerza Aérea y la NASA.

Sackett, quien fue puesto a cargo de la oficina de Lockheed en Moscú, fue elegido para acercarse a Energomash, una empresa de la industria espacial postsoviética que llegó a ser propietaria del RD-170 y la tecnología de motores relacionada. Energomash recibió con entusiasmo el interés de Lockheed. Pero el RD-170 era demasiado poderoso: los cohetes Atlas que Lockheed buscaba enviar al espacio eran considerablemente más pequeños que el Energia, para el cual había sido diseñado el RD-170. Entonces, Energomash esencialmente cortó el motor a la mitad: la empresa elaboró ​​​​una propuesta para un derivado de dos cámaras del RD-170 de cuatro cámaras que podría usarse en el Atlas. Así nació el RD-180.

La relación requería una notable integración entre los contratistas industriales y militares rusos y estadounidenses. Lockheed instaló una oficina en Energomash, en un suburbio de Moscú. Fue una gran operación, recuerda Sackett. Tienen una planta metalúrgica allí, así que forjan sus propios metales, dice. Tienen todos sus propios talleres mecánicos, todas sus propias instalaciones de prueba. Es un montón de cosas, todo bajo un mismo techo. Y finalmente, todo se convierte en un motor de cohete.

Tomó alrededor de un año de reuniones técnicas diarias y exhaustivas entre el equipo de Sackett y los ejecutivos e ingenieros de Energomash para comprender si las compras propuestas de motores RD-180 funcionarían o no. Lockheed quería un trato pequeño y sin compromiso. Energomash resistió a un arreglo a largo plazo. El contrato se firmó al final de una sesión maratónica de seis horas en 1996, dice Sackett. El resultado: un acuerdo de mil millones de dólares con 101 motores.

La Fuerza Aérea de los EE. UU., el principal cliente de Lockheed, exigió acceso a 10 tecnologías clave necesarias para producir el RD-180, en caso de que las relaciones con Rusia alguna vez fracasaran y Estados Unidos tuviera que fabricar los motores por sí mismo. Fue una gran pregunta. Estados Unidos buscaba una joya de la corona de la tecnología espacial soviética, y el gobierno ruso no estaba entusiasmado. Pero no vieron otra alternativa, dice Sackett, porque el país no solo cambió de opinión, sino que quebró. Simplemente se arruinaron. Así salvaron la empresa.

Aunque se ha prestado más atención a la cooperación estadounidense-rusa en la Estación Espacial Internacional, en muchos aspectos la colaboración RD-180 fue más profunda. Después de todo, la estación espacial no es crucial para la seguridad nacional de ninguno de los dos países, mientras que los satélites de reconocimiento y comunicaciones sí lo son.

Ahora que las relaciones entre los dos países se han desgastado, argumenta Sackett, Estados Unidos podría simplemente fabricar el RD-180 a nivel nacional. Los críticos del motor dicen que sería astronómicamente costoso hacerlo. ¡Pero el costo no debería ser astronómico! dice Sacket. Tenemos gente inteligente aquí, ¡y tenemos la receta! Esta es exactamente la razón por la que identificamos y negociamos esas 10 tecnologías clave de fabricación, para que pudiéramos tomar los dibujos y las notas y luego construirlas.

Es poco probable que eso suceda, en parte porque después de décadas de estancamiento, las empresas estadounidenses finalmente están trabajando en motores que podrían ser mejores que el RD-180.

El rendimiento de un motor tiene una profunda influencia sobre el diseño del cohete que se encuentra sobre él. Entonces, cuando el Congreso ordenó que la Fuerza Aérea dejara de usar el RD-180, esto provocó una competencia no solo por un motor nuevo, sino por un cohete completamente nuevo. Tal competencia era inevitable; después de todo, los diseños no duran para siempre. Pero debido a que diseñar nuevos motores y cohetes es costoso y lleva mucho tiempo, el momento para hacer un cambio siempre es políticamente polémico. La prohibición del RD-180 ordenada por el Congreso forzó el problema.

Hay cuatro contendientes serios para construir ese nuevo cohete: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (una empresa conjunta entre Boeing y Lockheed Martin conocida por sus iniciales, ULA) y Northrop Grumman. Se elegirán dos de ellos, con la teoría de que tener dos ganadores crea una competencia continua, mientras que nombrar uno daría como resultado un monopolio que luego podría dar la vuelta y saquear a la Fuerza Aérea. Miles de puestos de trabajo están en juego: si ULA pierde, puede quebrar.

La primera prueba del motor BE-4 de Blue Origin, en octubre de 2017. A principios de 2019, Blue Origin inició la construcción en una fábrica de Alabama donde planea construir cientos de motores. Imagen de cortesía

El New Glenn, la entrada de Blue Origin en la competencia, usa el BE-4, el motor más nuevo y poderoso de Blue Origin. (Al igual que el cohete de ULA, las dos empresas son simultáneamente competidores y socios comerciales). Los diseños de BE-4 y SpaceX's Raptor están informados de manera crucial por el RD-180. El BE-4 es un motor de combustión por etapas rico en oxígeno, como el RD-170 y el RD-180. Mientras tanto, el Raptor se parece al RD-180 en que alimenta el escape del prequemador a la cámara de combustión, lo que garantiza que casi todo el combustible y el oxidante almacenados en los tanques del cohete se utilicen para generar empuje. Sin embargo, el Raptor se basa en una modificación del enfoque de Glushko: tanto los flujos ricos en combustible como los ricos en oxidante alimentan sus turbobombas, lo que teóricamente resulta en una eficiencia máxima.

La primera prueba de encendido del motor Raptor de SpaceX, en 2016. A principios de este año, Elon Musk se jactó en Twitter cuando el Raptor superó la presión de la cámara del RD-180 por primera vez. Imagen de cortesía

En cierto modo, el BE-4 y el Raptor son como un intento de construir un violín mejor que el que hizo Stradivarius, utilizando métodos modernos. Blue Origin y SpaceX tienen acceso a mejores diagnósticos y técnicas de simulación más sofisticadas que Glushko. También tienen otra característica de diseño importante para la Fuerza Aérea Estadounidense: están fabricados en EE. UU.

Posiblemente, la mayor ventaja técnica que tienen estos nuevos motores sobre el RD-180 es que utilizan metano como combustible en lugar de queroseno, como lo hace el RD-180. El queroseno puede ensuciar el funcionamiento de un motor después de un uso repetido. El metano tiene un impulso específico más alto y se quema de manera más limpia. También es mucho más fácil (en principio) sintetizar en Marte, lo que Musk pretende hacer.

Ninguno de los nuevos motores ha llegado aún a la órbita. SpaceX está planeando vuelos de prueba de su cohete Starhopper, que eventualmente será propulsado por tres Raptors, para este verano. Estos vuelos serán saltos cortos, unos pocos miles de pies en el aire sobre el sitio de prueba de SpaceX en Texas. Blue Origin también está probando el BE-4 en Texas y ha comenzado a construir una fábrica en Alabama donde fabricará los motores. Ha alquilado el Launch Complex 36, donde el RD-180 despegó por primera vez, de la Fuerza Aérea y planea lanzar el New Glenn allí en 2021.

Mientras tanto, Energomash espera desesperadamente que el programa espacial ruso vuelva a utilizar sus motores. Alrededor del 90% de su producción ha ido a los EE. UU. en los últimos años, dice Pavel Luzin, analista de la industria espacial rusa. Al igual que sus contrapartes estadounidenses, Energomash ahora corre el riesgo de quedar obsoleto debido a Musk y Bezos, quienes, con su libertad de las restricciones de diseño heredadas y su disposición a gastar dinero y asumir riesgos, finalmente sacaron el diseño de motores de cohetes de décadas de estancamiento.

Matthew Bodner es un periodista en Moscú que escribe sobre aeroespacial y militar.

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