لوكهيد إل-2000

أمضت معظم شركات الطيران الأمريكية الكبرى بعض الوقت على الأقل في خمسينيات القرن الماضي في دراسة تصميمات الطائرات الأسرع من الصوت. وتعود أولى محاولات شركة لوكهيد إلى عام 1958. سعت لوكهيد إلى تصميم طائرة بسرعة طيران تبلغ حوالي 2000 ميل في الساعة (3200 كم/ساعة) مع سرعات إقلاع وهبوط تضاهي الطائرات النفاثة الكبيرة الأسرع من الصوت في نفس الحقبة. 

اتبعت التصاميم الأولية تصميم الجناح المستقيم المدبب لشركة لوكهيد، المشابه للجناح المستخدم في طائرة إف-104 ستارفايتر ، مع جناح أمامي مثلث الشكل لتحسين الديناميكية الهوائية . خلال اختبارات نفق الرياح ، أظهر هذا التصميم تحولات كبيرة في مركز ضغط الطائرة . كانت هذه التحولات تتطلب تغييرات كبيرة في التوازن مع تغير سرعة الطائرة، مما يُسبب مقاومة هوائية .

تم استبدال الجناح بجناح دلتا، مما خفف جزءًا من الحركة، لكن ذلك لم يُعتبر كافيًا. كانت شركة لوكهيد على دراية بأن تصميم الجناح المتغير الهندسة يمكن أن يحقق هذا الهدف، لكنها رأت أنه ثقيل جدًا، ففضلت حل الجناح الثابت. وفي أسوأ الأحوال، كانت الشركة على استعداد لتصميم طائرة ذات جناح ثابت تستخدم الوقود كوزن موازن.

بحلول عام 1962، توصلت شركة لوكهيد إلى تصميم ذي أجنحة مائلة بشدة على شكل سهم، يضم أربعة محركات مدمجة في الأجنحة وجناحًا أماميًا. كان هذا التحسين أقرب إلى هدفهم، ولكنه لم يكن مثاليًا بعد.

بحلول عام 1963، قاموا بتمديد الحافة الأمامية للجناح للأمام للاستغناء عن الجناح الأمامي (الكانارد)، وأعادوا تشكيل الجناح ليصبح على شكل دلتا مزدوج مع انحناء وانحناء طفيفين . هذا، إلى جانب التشكيل الدقيق لجسم الطائرة، مكّن من التحكم في تغير مركز الضغط الناتج عن الجزء الأمامي شديد الانحناء من الجناح الذي يولد قوة رفع تفوق سرعة الصوت. كما تم نقل المحركات من كونها مدمجة في الأجنحة إلى وحدات منفصلة معلقة أسفلها.

صُمم التصميم الجديد L-2000-1، ويبلغ طوله 70  مترًا (223 قدمًا  ) وجسمه ضيق بعرض 335.2 سم  (132 بوصة) لتلبية متطلبات الديناميكا الهوائية، مما يسمح بترتيب خمسة مقاعد في الصف الواحد في الدرجة السياحية وأربعة مقاعد في الصف الواحد في الدرجة الأولى. ويستوعب التصميم النموذجي للمقاعد  المختلطة حوالي 170 راكبًا، بينما تتجاوز سعة المقاعد في التصاميم عالية الكثافة 200 راكب.

تميزت طائرة L-2000-1 بمقدمة طويلة مدببة، مسطحة تقريبًا من الأعلى ومنحنية من الأسفل، مما ساهم في تحسين أدائها عند السرعات فوق الصوتية، كما أمكن خفضها أثناء الإقلاع والهبوط لتوفير رؤية كافية. وتميز تصميم الجناح بانحناء حاد داخلي للأمام بزاوية 80 درجة، مع انحناء الجزء المتبقي من الحافة الأمامية للجناح للخلف بزاوية 60 درجة، بمساحة إجمالية قدرها 778  مترًا مربعًا  . ونتج عن زوايا الانحناء العالية دوامات قوية على الحافة الأمامية، مما زاد من قوة الرفع عند زوايا الهجوم المتوسطة إلى العالية ، مع الحفاظ على تدفق هواء مستقر فوق أسطح التحكم أثناء التوقف . كما وفرت هذه الدوامات تحكمًا جيدًا في الاتجاه، والذي كان أقل كفاءة عند خفض المقدمة بسرعات منخفضة. وعلى الرغم من أن سمك الجناح لا يتجاوز 3%، إلا أنه وفر قوة رفع كبيرة بفضل مساحته الكبيرة، مما سمح، بمساعدة قوة الرفع الدوامية، بسرعات إقلاع وهبوط مماثلة لطائرة بوينغ 707 . بالإضافة إلى ذلك، فإن الجناح المثلثي هو هيكل صلب بطبيعته ولا يتطلب سوى القليل من التدعيم.

كان هيكل الطائرة من النوع التقليدي ثلاثي العجلات، مزودًا بعجلتين أماميتين. واستخدمت كل عجلة من العجلات الرئيسية الست نفس الإطارات المستخدمة في طائرة دوغلاس دي سي-8 ، ولكنها كانت مملوءة بالنيتروجين بضغط منخفض.

لضمان دخولها الخدمة في أسرع وقت ممكن، قررت شركة لوكهيد استخدام نسخة مُحسّنة من محرك برات آند ويتني J58 التوربيني المروحي . كان محرك J58 قد أثبت جدارته بالفعل كمحرك نفاث عالي الدفع والأداء في طائرة لوكهيد A-12 السرية للغاية (ولاحقًا في طائرة لوكهيد SR-71 بلاك بيرد). ولأنه محرك توربيني مروحي، فقد اعتُبر أكثر هدوءًا من المحرك النفاث التوربيني التقليدي على الارتفاعات والسرعات المنخفضة، ولا يتطلب استخدام حارق لاحق للإقلاع، كما يسمح بضبط الطاقة على مستويات منخفضة. وُضعت المحركات في حاويات أسطوانية مزودة بمُقسّم على شكل إسفين، ومدخل مربع الشكل يُشكّل نظام السحب للطائرة. صُمّم المدخل بحيث لا يحتوي على أجزاء متحركة، وكان مستقرًا بطبيعته. لتقليل الضوضاء الناتجة عن اختراق حاجز الصوت ، بدلاً من اختراقه على ارتفاع مثالي يبلغ 9144 مترًا (30000 قدم)، كان من المقرر اختراقه على ارتفاع 12802 مترًا (42000 قدم). لن يكون ذلك ممكنًا في الأيام الحارة، ولكنه سيكون ممكنًا في الأيام العادية. سيستمر التسارع عبر حاجز الصوت حتى يصل إلى سرعة 1.15 ماخ، وعندها سيُسمع دوي اختراق الصوت على الأرض. ستصعد الطائرة بدقة متناهية لتقليل مستويات دوي اختراق الصوت. بعد استقرار أولي على ارتفاع حوالي 21793 مترًا (71500 قدم)، ستواصل الطائرة صعودها تدريجيًا، لتصل في النهاية إلى 23317 مترًا (76500 قدم). كما ستُنفذ عمليات الهبوط بدقة متناهية لتقليل مستويات دوي اختراق الصوت حتى الوصول إلى سرعات دون سرعة الصوت.         

بحلول عام 1964، أصدرت الحكومة الأمريكية متطلبات جديدة بشأن برنامج الطائرات الأسرع من الصوت، مما استلزم من شركة لوكهيد تعديل تصميمها، الذي أصبح يُعرف آنذاك باسم L-2000-2 . تضمن التصميم الجديد تعديلات عديدة على الجناح؛ أحدها تقريب مقدمة الجناح المثلثي الأمامي للتخلص من ميل الطائرة للارتفاع . ولزيادة الكفاءة الديناميكية الهوائية عند السرعات العالية، تم تقليل سمك الجناح إلى 2.3%، وزيادة حدة الحواف الأمامية، وتغيير زوايا الانحناء من 80/60° إلى 85/62°، وإضافة التواء وانحناء كبيرين إلى الجناح المثلثي الأمامي؛ كما تم ثني جزء كبير من الجناح المثلثي الخلفي للأعلى للسماح لأسطح التوجيه بالبقاء مستوية عند سرعة  3 ماخ. بالإضافة إلى ذلك، أُضيفت أغطية انسيابية للجناح/الجسم على الجانب السفلي من جسم الطائرة حيث توجد الأجنحة، مما سمح باستخدام مقدمة ذات شكل أكثر اعتيادية. وللحفاظ على الأداء عند السرعات المنخفضة، تم تكبير الجناح المثلثي الخلفي بشكل ملحوظ. لزيادة الحمولة، تم تصميم الحافة الخلفية بانحناء أمامي بزاوية 10 درجات، مما أدى إلى امتداد الجزء الداخلي من الجناح للخلف. قلل التصميم الجديد للأنف الطول الإجمالي إلى 65.2  مترًا (214  قدمًا) مع الحفاظ على نفس الأبعاد الداخلية تقريبًا. كان طول الجناح مطابقًا لما كان عليه سابقًا، وعلى الرغم من الجناح الأقل سمكًا، إلا أن زيادة مساحة الجناح إلى 838.5  مترًا مربعًا (9026 قدمًا مربعًا) سمحت بنفس أداء الإقلاع. ارتفعت نسبة الرفع إلى السحب  الإجمالية للطائرة من 7.25 إلى 7.94.

خلال مراحل تطوير طائرة L-2000-2، لم يعد المحرك الذي اختارته شركة لوكهيد سابقًا مقبولًا. في الفترة ما بين L-2000-1 وL-2000-2، صممت شركة برات آند ويتني محركًا توربينيًا مروحيًا جديدًا مزودًا بحارق لاحق يُسمى JTF-17A ، والذي أنتج قوة دفع أكبر. طورت شركة جنرال إلكتريك محرك GE4 ، وهو محرك نفاث توربيني مزود بحارق لاحق وشفرات توجيه متغيرة، وكان في الواقع أقل قوة من المحركين عند مستوى سطح البحر، ولكنه أنتج قوة أكبر على الارتفاعات العالية. تطلب كلا المحركين استخدام الحارق اللاحق بدرجة معينة أثناء الطيران. فضل تصميم لوكهيد محرك JTF-17A على محرك GE-4، ولكن كان هناك خطر فوز جنرال إلكتريك في منافسة المحركات وفوز لوكهيد بعقد الطائرات الأسرع من الصوت، لذلك طورت الشركة حاضنات محركات جديدة تستوعب كلا المحركين. سمحت التعديلات الديناميكية الهوائية باستخدام حاضنة محركات أقصر، والتي اعتمدت تصميمًا جديدًا للمدخل. يتميز هذا المدخل بزوايا غطاء خارجية دنيا، وقد صُمم بدقة متناهية للسماح باستعادة الضغط العالي دون استخدام أجزاء متحركة، مما يتيح أقصى أداء مع أي من خياري المحرك. ولزيادة تدفق الهواء لتقليل الضوضاء، أو لتحسين أداء الاحتراق اللاحق، أُضيفت مجموعة من الأبواب الساحبة إلى الجزء الخلفي من الحاضنة. ولتوفير إمكانية الكبح في الجو للتباطؤ السريع والهبوط السريع، وللمساعدة في الكبح الأرضي، يمكن استخدام جزء من الفوهة كعكس دفع عند سرعات أقل من  1.2 ماخ. كما أُعيد وضع الحاضنات على الجناح الجديد لحمايتها بشكل أفضل من التغيرات المفاجئة في تدفق الهواء.

أتاحت قوة الدفع الإضافية من المحركات الجديدة تأخير اختراق الغلاف الجوي بسرعة تفوق سرعة الصوت حتى ارتفاع 45,000  قدم (13,716  مترًا) في جميع الظروف تقريبًا. ولأن إمكانية الطيران فوق اليابسة بسرعة تفوق سرعة الصوت كانت لا تزال قائمة في ذلك الوقت، فقد درست شركة لوكهيد أيضًا نسخًا أكبر حجمًا وأقصر مدى من طائرة L-2000-2B. كانت جميع التصاميم متطابقة في الوزن، مع تصميم جديد للذيل، وتغييرات في طول جسم الطائرة، وامتدادات للجناح الأمامي المثلثي، وزيادة في السعة، واختلافات في سعة الوقود. استوعبت النسخة الأكبر 250 راكبًا محليًا، بينما استوعبت النسخة المتوسطة 220 راكبًا عبر المحيط الأطلسي. وعلى الرغم من تغييرات طول جسم الطائرة، لم يكن هناك زيادة ملحوظة في خطر ميل الطائرة للأعلى بشكل مفرط (الدوران الزائد) عند الإقلاع.

بحلول عام 1966، اتخذ التصميم شكله النهائي كطائرتين من طراز L-2000-7A و L-2000-7B . تميزت L-2000-7A بجناح مُعاد تصميمه وهيكل أطول إلى 83  مترًا (273  قدمًا). يسمح الهيكل الأطول باستيعاب 230 راكبًا من مختلف الدرجات. تميز الجناح الجديد بجناح دلتا أمامي أكبر نسبيًا، مع تحسينات ملحوظة في التواء الجناح وانحنائه. على الرغم من بقاء طول الجناحين كما هو، فقد زادت مساحة الجناح إلى 875  مترًا مربعًا (9424  قدمًا مربعًا)، مع انخفاض طفيف في زاوية الانحناء الخلفي إلى 84 درجة، وزيادة في زاوية الانحناء الأمامي للجناح الرئيسي إلى 65 درجة، مع انخفاض في زاوية الانحناء الأمامي على طول الحافة الخلفية. على عكس الإصدارات السابقة، تميزت هذه الطائرة برفرف على الحافة الأمامية لزيادة قوة الرفع عند السرعات المنخفضة، وللسماح بانحراف طفيف للجنيح السفلي. نتيجةً لزيادة طول جسم الطائرة، وتغييرات في تصميم الجناح، ومحاولات لتقليل مقاومة الهواء، تميز جسم الطائرة بانخفاض طفيف في سمكه عموديًا عند موضع الأجنحة، وبروز أكبر في منطقة الأجنحة/الجسم لحمل الوقود والبضائع، ومقدمة أطول، وذيل مُحسَّن. ولأن الطائرة لم تكن مستقرة اتجاهيًا كما كانت سابقًا، فقد زُوِّدت بزعنفة بطنية تقع على الجانب السفلي من الجزء الخلفي لجسم الطائرة. وتم تمديد طائرة L-2000-7B إلى 89  مترًا (293  قدمًا)، مع استخدام مقصورة أطول وذيل أكثر انحناءً للأعلى لتقليل احتمالية اصطدام الذيل بالمدرج أثناء الدوران الزائد. وكان لكلا التصميمين نفس الوزن الأقصى البالغ 267,600  كيلوغرام (590,000  رطل)، وزادت نسبة الرفع إلى السحب الديناميكية الهوائية إلى 8:1.

عُرضت نماذج بالحجم الطبيعي لتصميمي بوينغ 2707-200 وL-2000-7 على إدارة الطيران الفيدرالية، وفي 31 ديسمبر 1966، تم اختيار تصميم بوينغ. وُجد أن تصميم لوكهيد أسهل في الإنتاج وأقل خطورة، لكن أداءه أثناء الإقلاع وعند السرعات العالية كان أقل قليلاً. وبسبب محرك JTF-17A، كان من المتوقع أن يكون صوت L-2000-7 أعلى. اعتُبر تصميم بوينغ أكثر تطوراً، مما يمثل تفوقاً أكبر على الكونكورد، وبالتالي أكثر ملاءمة لمتطلبات التصميم الأصلية. في النهاية، غيّرت بوينغ تصميم جناحها المتطور ذي الهندسة المتغيرة إلى جناح دلتا أبسط مشابه لتصميم لوكهيد، ولكن مع ذيل. أُلغي مشروع طائرة بوينغ الأسرع من الصوت نهائياً في 20 مايو 1971 بعد أن أوقف الكونغرس الأمريكي التمويل الفيدرالي لبرنامج الطائرات الأسرع من الصوت في 24 مارس 1971.