RD-180'in hikayesi

24 Mayıs 2000’de, gün batımından bir saat önce, Cape Canaveral Air Force Station’da bulunan Fırlatma Kompleksi 36’dan alışılmadık bir roket fırlatıldı. Çoğu roket gibi Atlas 3 de tasarım mirasını kıtalararası bir balistik füzeden, yani Sovyet Birliği’ni nükleer tahribatla tehdit etmek üzere tasarlanmış ilk Amerikan füzesinden almıştı. Sıra dışı olan bu değildi. Bu roketin muhtemelen yerini aldığı roketinkinden de daha güçlü olan yeni bir birinci kademesi vardı. Motor ya da adlandırıldığı şekliyle RD-180, Moskova’nın dışındaki bir fabrikada NPO Energomash tarafından yapılmıştı. Uzay yarışının zirvesinde hayal bile edilemeyecek bir ortaklıkla, bir Amerikan roketini bir Rus motoru çalıştırıyordu. Aradan geçen 20 yılda, bu roketlerden Florida’da 83 tane daha fırlatıldı. Atlas 3 ve halefi olan Atlas 5’te, RD-180, 13 askeri iletişim uydusu, yarım düzine GPS uydusu, iki askeri hava durumu uydusu ve diğer ülkelerin yanı sıra kendi üretildiği ülkeden de atılabilecek roketleri tespit edecek şekilde tasarlanan üç tane füze uyarı uydusuyla birlikte en az 16 Amerikan casus uydusunu yörüngeye taşıdı. Dört tane Amerikan Mars görevinde yer aldı. NASA’nın New Horizons’ı 2006’da Pluton’a ve Juno’yu 2011’de Jüpiter’e göndermesi de RD-180’le oldu. RD-180 sadece bu kadar sivrilmesinin jeopolitik gariplikleri yüzünden değil, zamanının başka herhangi bir roket motorundan pek çok yönden daha iyi olmasıyla da dikkat çekici. Şubat 2019’da Elon Musk, şirketin yeni nesil roketi Starship’e güç vermesi amaçlanan SpaceX’in Raptor motorunun testinin başarılı olduğunu duyurduğunda, Raptor’un itme odasında ulaşılan yüksek basınçlardan övgüyle bahsetti: Bu değer, deniz seviyesindeki atmosfer basıncının 256 katından fazlaydı. Twitter’da Raptor’un onlarca yıldır “müthiş Rus RD-180’in” elinde tuttuğu rekoru kırdığını yazdı. Rusya Kırım’ı 2014’te topraklarına kattıktan sonra, RD-180’in Amerikan füze biliminin demirbaşı olma günleri sayılı hale geldi. Savunma taraftarları bu düzenlemeden uzun zamandır rahatsızdı; fakat motor hem çok iyiydi hem de kapasitesi düşünüldüğünde ucuzdu; dolayısıyla yerinde kaldı. Fakat Rusya’yla ilişkiler bozuldukça, motorun kongrede Senatör John McCain’in başını çektiği karşıtları 2022 bittikten sonra bu motorun Amerikan roketlerinde kullanımını yasaklatmayı başardı. Bu durum, Hava Kuvvetleri’ni, Atlas 5’i çalıştıran RD-180’in halefi olabilecek yeni bir roket bulmaya itti. Tüm bunlar bir soruyu gündeme getiriyor: Onlarca yıllık bir Rus motoru nasıl oldu da Amerika’nın en iyi füze bilimcilerinin kendilerini ölçmek için kullandıkları bir ölçüt haline geldi? Şayet RD-180’i neyin bu kadar iyi bir motor haline getirdiğini bilmek istiyorsanız, bu işin çok büyük bir çalışma içerdiğini bilmek yardımcı olabilir. Yüzlerce insan roket motorları için iş birliği yapsa da, iyi tasarım olan birinin başta olması çok önemli: Dengeler zor kullanmayla ya da bir komiteyle anlaşılamayacak kadar karmaşık. RD-180 vakasında ise bu birinin adı Valentin Glushko idi. 

ULUSAL ÖNCELİK OLDU Uzay mühendisi ve Rus uzay tarihçisi olan Vadim Lukashevich’e göre, aya gitme yarışında Sovyetler Birliği Amerika’ya yenildikten sonra, mümkün olan en iyi roket motorunu tasarlamak “ulusal bir öncelik” haline geldi. Sovyet liderler dünyanın en güçlü roketi Energia’yı üretmek, uzay istasyonlarını dünya yörüngesinde tutmak ve müstakbel Rus uzay gemisi Buran’ı kaldırmak istedi. Glushko’ya üretebileceği en iyi motoru üretmesi için gereken kaynaklar verildi ve kendisi motor üretmekte iyiydi. Sonuç ise RD-180’in abisi RD-170 oldu. RD-170, aşamalı yanma adı verilen bir tekniği kullanan ilk roketler arasındaydı. Yine 1970’lerde geliştirilen Amerikan uzay gemisi motoru da bunlardan bir diğeriydi. Buna karşın Apollo’yu aya gönderen Satürn V roketinin ilk kademesindeki F-1 motorları, gaz üreten motor tabir edilen daha eski ve basit bir tasarıma sahipti. Ana fark ise şuydu: Aşamalı yanmalı motorlar daha verimliydi; fakat daha yüksek bir patlama riski taşıyorlardı. Purdue Üniversitesi’nde likit yakıt kullanan roket motorları üstüne çalışan William Anderson’un açıkladığı üzere, “Açığa çıkan enerji miktarı çok yüksek. Roket motorlarının yanma odalarının içinde gerçekleşen çılgınca şeyleri anlamak için gerçekten keskin hayal gücü olan birisi olmak lazım.” Rusya’da, bu keskin hayal gücüne sahip kişi Glushko’ydu. Glushko’nun motorlarının neden bir mühendislik harikası olduğunu anlamak için biraz teknik konuşmamız lazım. Bir roketin performansının iki tane temel ölçütü vardır: Fırlatma veya roketin ürettiği güç miktarı ve itici yakıtını ne kadar etkili kullandığının bir ölçütü olan özgül itici kuvvet. Yüksek fırlatma gücü olan fakat özgül itici kuvveti düşük olan bir roket yörüngeye ulaşamaz. Çok fazla yakıt taşımak zorunda kalır, yakıtın ağırlığı daha çok yakıt gerektirir ve bu böyle devam eder. Buna karşılık, özgül itici kuvveti fazla olan fakat fırlatma gücü düşük olan bir roket de yerden hiç kalkamaz. Fakat böyle roketler, sabit bir itmenin yeterli olduğu uzayda iyi çalışır. Bir roket motoru, motor nozülünden aşağı ve dışarı doğru genişleyen ve motoru diğer yöne doğru hızlandıran sıcak gaz üretebilmek için tıpkı bir jet uçağı motoru gibi yakıtı oksitleyici bir maddeyle (çoğunlukla oksijenle) birlikte yakar. Oksijeni çevrelerindeki havadan alan jet motorlarının aksine, roketler kendi oksijenini (veya başka oksitleyici maddeleri) kendileri taşımak zorundadır. Bunun sebebi de elbette uzayda oksijen olmamasıdır. Jetler gibi roketler de yakıt ve oksijeni yüksek basınçla yanma odasına sokacak bir yola ihtiyaç duyar. Başka her şey eşit durumda olduğunda, daha yüksek basınç daha iyi performans anlamına gelir. Bunu yapmak için de roketler saniyede yüzlerce kez dönen turbo pompalar kullanır. Turbo pompalar türbinler tarafından çalıştırılır ve bunun sonucunda da aynı şekilde yakıt ve oksijen yakan ön brülörlerden güç alırlar. RD-180 gibi aşamalı yanmalı motorlar ve Satürn’ün F-1’i gibi gaz üreten motorlar arasındaki en önemli fark, bu ön brülörlerden çıkan egzoza ne olduğunda yatar. Gaz üreten motorlar bunu dışarı atarken, aşamalı yanmalı motorlar ana yanma odasına geri gönderir. Bunu yapmalarının bir sebebi egzozun kullanılmamış yakıt ve oksijen içermesidir; çünkü ön brülörler bunların hepsini yakamaz. Bunu dışarı atmak ziyan etmek olur. Bu da kullanacağı yakıtın ve oksijenin her bir litresini taşımak zorunda olan bir roket için önemlidir. Fakat egzozu geri göndermek, ilgili basınçları ve akış hızlarını dikkatlice dengelemeyi gerektirir ki motor havaya uçmasın. Bunu yapmak için de koca bir turbo pompa dizisi gerekir. Uzmanlardan oluşan ekipler genelde bunun nasıl doğru yapılacağını bulmak için yıllarca simülasyon ve test yapmaya ihtiyaç duyarlar. RD-170 ve RD-180’in başka bir avantajı daha var. Oksijen açısından zenginler, bu da tam olarak düşündüğünüz anlama geliyor: Sisteme fazladan oksijen verirler. Uzay gemilerinin ana motoruysa, tam tersine yakıtça zengin bir motordur. Oksijence zengin motorlar daha temiz yanar ve daha kolay alev alırlar. Ayrıca yanma odasında daha yüksek basınç ortaya çıkarır ve böylece daha iyi performans sağlarlar, fakat patlamaya da daha yatkındırlar. Zaten tam da bu yüzden onların Amerika’da kullanılması için onlarca yıl çok da büyük çabalar sarf edilmedi. Anderson, “Uzay gemisine o kadar yatırım yapılmıştı ki NASA’daki kimse oksijence zengin, aşamalı yanmalı bir motor geliştirme hakkında konuşmak istemiyordu. Eğer bir kıvılcım oluşursa oksijen çoğu şeyi yakardı” diyor. Bu da motoru üretmek için kullanılan materyallere çok dikkat etmeyi gerektirirken, metal kalıntıları gibi küçük yabancı materyallerin içeri girmesini engellemeye de çok daha fazla dikkat etmeyi gerektiriyor. “Bir yanma odasının içinde neler olduğuna dair daha çok şey öğrendikçe, aslında bunun gerçekte ne kadar dengesiz bir olay olduğunu daha çok fark ediyoruz” diyor Anderson. Eğer RD-170 tartışmaya açık bir şekilde kendi neslinin en iyi roket motoruysa, uzay gemisi ana motoru da yine tartışmaya açık bir şekilde en iyi ikincisiydi ve üretmesi de ciddi derecede daha pahalıydı. Hiçbiri potansiyellerini tam olarak kullanamadı. Uzay gemisi motoru, tasarımcılarının umut ettiğinden daha hantal çıkan kusurlu bir araca takılıydı. RD-170 ise bir kez 1987’de ve bir kez de 1988’de olmak üzere sadece iki kere uçtu. Bunun geliştirilmesi ulusal bir öncelik haline gelmiş olsa da Glushko onun çalıştığını kanıtlayabildiği zaman Sovyetler Birliği dağılmak üzereydi. 1990’lar Rusya’da, özellikle de uzay programı için zor bir zaman dilimiydi. Hükümet desteği olmadan hayatta kalabilmek için yeni özelleştirilmiş olan roket firmaları yüzlerini ticari pazara döndü. NASA’nın Houston’daki Johnson Uzay Merkezi’nde yer alan Lockheed’de çalışan bir mühendis olan Jim Sackett tam da bu sırada Moskova’ya taşındı. Lockheed, yeni nesil Atlas roketlerini çalıştırmak için oksijence zengin aşamalı yanmalı motorları kullanmakla ilgilenmeye başladı. Atlas roketleriyle Hava Kuvvetleri ve NASA’yla kontrat yapmak için rekabet etmeyi planlıyordu. Lockheed’in Moskova ofisinin başına getirilen Sackett, RD-170’i ve ilgili motor teknolojisini satın alan Sovyetler sonrası bir uzay endüstrisi şirketi olan Energomash’a yaklaşmakla görevlendirilmişti. Energomash Lockheed’in ilgisini heyecanla karşıladı. Fakat RD-170 fazla güçlüydü. Lockheed’in uzaya göndermek istediği Atlas roketleri, RD-170’in kendisi için tasarlanmış olduğu Energia’dan çok daha küçüktü. Bu yüzden Energomash temel olarak motoru yarı yarıya küçülttü; firma, dört odalı RD-170’in Atlas’ta kullanılabilecek iki odalı bir türevi için bir teklif hazırladı. RD-180 böyle doğdu. Bu ilişki, Rus ve Amerikan ordu endüstri yüklenicileri arasında dikkate değer bir entegrasyon gerektiriyordu. Lockheed, Moskova’nın bir ilçesi olan Energomash’ta bir ofis kurdu. Çok büyük bir operasyondu diye hatırlıyor Sackett ve “Orada kendilerine ait bir metalurji santrali var, yani kendi metallerini kendileri yapıyorlar” diyor ve ekliyor: “Kendi makine atölyeleri, kendi test tesisleri var. Tek bir çatının altında pek çok şey. Ve sonunda bunların hepsi bir roket motoruna dönüşüyor.” 

MİLYAR DOLARLIK ANLAŞMA Bu iş, Sackett’in ekibi ile Energomash yöneticileri ve mühendisleri arasında, teklif edilen RD-180 motorları alımlarının işe yarayıp yaramayacağını anlamak için neredeyse bir yıl boyunca her gün yapılan derin teknik toplantılar gerektirdi. Lockheed küçük, taahhüt içermeyen bir anlaşma istedi. Energomash uzun süreli bir anlaşma için diretti. Anlaşma, 1996’da maraton gibi geçen altı saatlik bir görüşme sonunda imzalandı. Sonuç: Bir 101 motorluk, milyar dolarlık bir anlaşma. Lockheed’in ana müşterisi Amerikan Hava Kuvvetleri, Rusya ile ilişkiler kötüleşirse ve Amerika motorları kendisi üretmek zorunda kalırsa diye, RD-180’i üretmek için gereken 10 önemli teknolojiye erişim hakkı talep etti. Bu büyük bir istekti. Amerika, Sovyet uzay teknolojisinin kalbini elde etme peşindeydi ve Rus hükümeti de bundan memnun değildi. “Ama başka bir alternatif görmüyorlardı” diyor Sackett, “Çünkü ülke sadece fikrini değiştirmemiş, iflas bayrağını da çekmişti. Kelimenin tam anlamıyla beş parasız kalmıştı. Şirketi böyle kurtardılar.” Uluslararası Uzay İstasyonu konusunda Amerikan-Rus iş birliğine daha büyük önem atfedilmiş olsa da RD-180 konusundaki iş birliği pek çok açıdan daha derinleşti. Ne de olsa uzay istasyonu iki ülkenin de ulusal güvenliği için elzem değilken keşif ve iletişim uyduları öyleydi. Sackett, “Artık iki ülke arasındaki ilişkiler bozulduğuna göre Amerika RD-180’i kendi toprakları içinde üretebilir” diyor. Motoru eleştirenler bunu yapmanın astronomik fiyatlara mal olacağını söylüyor. Sackett, “Ama tutar astronomik olmamalı! Elimizde zeki insanlar ve işin tarifi var! Tam da bu yüzden bu 10 önemli teknolojiyi belirleyip onlar için pazarlık ettik, çizimleri ve notları alıp gidip kendimiz üretebilelim diye” diyor. Kısmen yıllarca süren durgunluktan sonra Amerikan şirketlerinin nihayet RD-180’den daha iyi olabilecek motorlar üstünde çalışmaya başlamaları nedeniyle bunun olması pek olası değil. Bir motorun performansı, üstündeki roketin tasarımında büyük bir etkiye sahip. Bu yüzden, Kongre Hava Kuvvetleri’nin RD-180’i kullanmayı bırakmasını şart koştuğunda, bu sadece yeni bir motor için değil, tamamen yeni bir roket için de bir rekabet başlattı. Böyle bir rekabet kaçınılmazdı; ne de olsa tasarımlar sonsuza dek dayanmıyor. Fakat yeni motorlar ve roketler tasarlamak pahalı ve zahmetli olduğu için değişikliğin zamanlaması politik olarak daima çekişmeli olur. Kongre’nin zorunlu kıldığı RD-180 yasağı bu konuyu daha da zorladı. CİDDİ REKABET VAR Bu yeni roketi yapmak için dört tane ciddi rakip var: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (başharfleri olan ULA ile bilinen bir Boeing-Lockheed Martin ortak iştiraki) ve Northrop Grumman. İki kazananın olmasının devam edecek bir rekabet yaratacağı düşüncesiyle aralarından iki tanesi seçilecek. Sadece bir tanesini seçmek yalnızca bir tekel yaratıp Hava Kuvvetleri’ni zora sokardı. Binlerce iş ipin ucunda: ULA kaybederse batabilir. Blue Origin’in yarışmada sunduğu New Glenn, Blue Origin’in en yeni ve en güçlü motoru olan BE-4’ü kullanıyor. (ULA’nin roketinin de kullandığı gibi iki firma aynı anda hem rakip hem de iş ortağı) BE-4 ve SpaceX’in Raptor’ının tasarımlarının ikisi de RD-180’den önemli şekillerde esinlendi. BE-4, RD-170 ve RD-180 gibi oksijence zengin, bir aşamalı yanmalı motor. Bu arada Raptor, ön brülörün egzozunu yanma odasına vermesi bakımından RD-180’e benziyor; böylece roketin depolarında bulunan yakıt ve oksitleyici maddelerin tamamen itme gücü olarak kullanılmasını sağlıyor. Bununla birlikte, Raptor Glushko’nun yaklaşımına getirilen bir değişikliğe dayanıyor; hem yakıt bakımından hem de oksitleyici bakımından zengin akımlar, turbo-pompalarına güç veriyor, bu da teorik olarak maksimum verimliliği sağlıyor. Aslında bir bakıma BE-4 ve Raptor, modern yöntemler kullanarak, Stradivarius’un ürettiğinden daha iyi bir keman üretmeye çalışmaya benziyor. Blue Origin ve SpaceX’in, Glushko’nun elinde olanlardan daha iyi teşhis koyuculara ve daha sofistike simülasyon tekniklerine erişimleri var. Ayrıca Amerikan Hava Kuvvetleri için önemli olan başka bir tasarım özelliği daha var: Amerika’da üretilmiş olmaları. Muhtemelen bu yeni motorların RD-180’e göre en büyük teknik avantajı, yakıt olarak RD-180’in yaptığı gibi gazyağı yerine metan kullanmaları. Tekrarlanan kullanım sonrası, kerosen motoru tıkayabilir. Metanın daha yüksek bir özgül itici kuvveti var ve daha temiz yanar. Ayrıca Mars’ta elde edilmesi de (teoride) çok daha kolay ki Musk da bunu yapmak istiyor. Yeni motorların ikisi de henüz yörüngeye ulaşmadı. SpaceX, eninde sonunda üç tane Raptor tarafından çalıştırılacak olan Starhopper roketinin test uçuşlarını bu yaz yapmayı planlıyor. Bu uçuşlar kısa havalanmalar olacak, SpaceX’in Texas’taki test alanında havaya birkaç bin fitlik sıçrayışlar şeklinde olacak. Blue Origin de BE-4’ü Texas’ta test ediyor ve Alabama’da da motorları üreteceği bir tesis inşa etmeye başladı. RD-180’in ilk fırlatılışının yapıldığı Fırlatma Kompleksi 36’yı Hava Kuvvetleri’nden kiraladı ve New Glenn’i 2021’de buradan fırlatmayı planlıyor. Bu sırada Energomash da Rus uzay programının tekrar onların motorlarını kullanacağını umut ediyor. Bir Rus uzay endüstrisi analisti olan Pavel Luzin, motorların üretiminin yüzde 90 kadarının son yıllarda Amerika’ya kaydığını söylüyor. Amerikalı meslektaşları gibi Energomash da artık kendilerine miras kalan tasarım kısıtlamalarından bağımsız olmaları ve para harcama ve risk alma konusundaki istekleri sayesinde, roket motoru tasarımını on yıllardır süren durgunluktan nihayet çıkaran kişiler olan Musk ve Bezos tarafından devreden çıkarılma riski taşıyor