Le Mur du Son 

Les vitesses atteintes vers la fin de la guerre par les appareils à hélices, surtout en piqué, avaient mis en lumière des phénomènes nouveaux : vibrations, durcissement des commandes, perte d’éléments…

Les ingénieurs comprirent rapidement que l’ennemi invisible n’était autre que l’air lui même.

Avec l’augmentation de la vitesse la compression de l’air forme des ondes de choc qui martèlent littéralement la structure de l’appareil.

Ces ondes de choc se forment lorsque l’écoulement de l’air autour de l’avion atteint la vitesse du son qui varie elle-même en fonction de l’altitude et de la température.

 

Supposons d’abord un point émettant continuellement de petites ondes de pression, chaque onde s’éloigne du point toujours à la même vitesse, la vitesse du son.

Si ce point qui peut être un avion, se déplace lui-même, et si sa vitesse est inférieure à la vitesse du son, les ondes de pression ont toujours le temps de s’éloigner de lui, le vol est subsonique.

Quand le point se déplace à la vitesse du son, donc à la vitesse des ondes de pression, ces dernières ne peuvent plus s’éloigner, les multiples ondes de pression s’accumulent perpendiculairement à la direction du vol, le vol est transsonique.

Lorsque le point se déplace plus vite que la vitesse du son, les ondes de pression se déplacent vers l’arrière, elles prennent la forme d’un cône tridimensionnel, le vol est supersonique.

Concorde et le BANG sonique

Évaluée à 1227 km/h en atmosphère standard (15°C) et au niveau de la mer, elle n’est plus que de 1065 km/h à 11 000 m et reste à peu près constante dans la stratosphère.

A 1100 km/h un avion volera en régime subsonique à faible altitude et en régime supersonique à haute altitude.

Une nouvelle unité de mesure a été introduite qui représente le rapport de la vitesse de l’avion par la vitesse du son : Le Mach du Nom du physicien autrichien qui vers 1880-1890 mit pour la première fois en évidence le rôle de la vitesse du son aérodynamique

Les ondes de choc rencontrées à Mach 1 forment devant l’appareil une véritable barrière d’air compressée à laquelle on a donné le nom de « Mur du son »cette accumulation d’ondes produit au sol des effets sonores et dynamiques les « BANG ».

Le diagramme montre la variation de la forme du cône de choc du CONCORDE de selon la vitesse et l’altitude de l’appareil, et la façon dont se produit un bang convergent d’une grande intensité.

Les ondes sonores créées par le CONCORDE en vol de croisière normal à Mach 2 à plus de 15 000 m augmentent la pression de l’air au sol de 0,1% seulement. Mais ce phénomène se révèle suffisant pour produire un bang dont l’intensité dépend de la température de l’air et des conditions atmosphériques.

Toutefois , la surpression au sol diminue en s’éloignant du centre, de sorte qu’à 40 km de la route suivie par l’avion on entend un bruit très atténué.

Les bangs convergents ne se forment que pendant l’accélération en montée, lorsque les ondes de chocs voyagent à la même vitesse et atteignent simultanément le même point au sol.

Différents des autres bangs émis par le CONCORDE,le bang convergent présente une forme de croissant, étroite et d’une profondeur de 100 m environ.

En fait le CONCORDE engendre 2 ondes de choc : - l’une avec son nez, l’autre avec ses empennages- ondes de choc de très grande intensité qui génèrent un double bang caractéristique.

Les pilotes des premiers avions performants ne réalisaient l’approche et le passage de la vitesse du son que par les secousses souvent très violentes provoquées par le passages des ondes de pression appelées ondes de chocs.

Lorsque l’avion accélère pour atteindre des vitesses supersoniques, les ondes de chocs altèrent la mince couche d’air qui gaine la surface de l’aile, augmentent la résistance de l’air et gênent l’efficacité des gouvernes.

Sur les avions rapides, un instrument donne le rapport de la vitesse de l’appareil par rapport à la vitesse du son, c’est le machmètre.

Pour l’appareil, d’autres phénomènes apparaissent alors : augmentation du coefficient de traînée, réduction du coefficient de portance, déplacement brutal du centre de poussée vers l’arrière, échauffement, dilatation de la structure. Ce phénomène qui intervient lorsque l’avion approche de la vitesse du son obligeant sur les premiers appareils supersoniques à inverser les commandes. Tous ces phénomènes affectent tour à tour les différentes parties de l’avion, dont on dit dans ce cas qu’ils ont atteint leur « vitesse critique ».

Une fois franchi le domaine transsonique : Mach 0,9 à Mach 1,1 ces troubles disparaissent et les lois de l’aérodynamique retrouvent leur simplicité, surtout de Mach 2 à Mach 4.

Dans le domaine hypersonique qui commence aux alentours de Mach 5 de nouvelles difficultés surgissent. Elles proviennent essentiellement de l’élévation de la température de l’air au voisinage de la cellule de l’appareil.

Histoire...

Le 14 octobre 1947, avec Chuck Yeager aux commandes, le Bell XS1 fut le 1er avion à franchir la barrière sonique.

Le 26 avril 1948, le North Américan XP86 « Sabre » volait à la vitesse du son.

Le 12 décembre 1953 Chuck Yeager atteignait Mach 2,44 sur Bell X-1 A

 

Entre temps le MIG-17 passait Mach 1 en vol horizontal en février 1950.

C’est le North Américan « Super Sabre » qui fut le 1er chasseur supersonique à faire l’objet d’une série en mai 1953.

Il fut suivi, à la fin de cette même année du Douglas « Sky rocket » qui atteignit Mach 2,005-appareil doté d’une aile et d’un empennage en flèche.

Le 27 octobre 1956, Bell reprit la formule sur le X2 et atteignit la vitesse fabuleuse de Mach 3,2.

Toujours en 1956, le Fairey « Delta » 2, avion expérimental britannique à voilure Delta, propulsé par un moteur à réaction ordinaire, prouva qu’un appareil correctement conçu pouvait franchir le mur du son sans ressentir les effets des ondes de choc. Dès lors, l’on put songer à un projet d’avion de ligne supersonique.

Le 3 octobre 1967, le prototype expérimental d’avion fusée le North American X 15 piloté par William J.Knight, largué d’un Boeing B52 stratofortress, puis propulsé par des fusées de 26 000 kg de poussée, atteignit 7 290 km/h à 3100 m d’altitude.

La barrière sonique depuis longtemps dépassée avait fait place au « Mur de la chaleur ».

Le 04 février 1953, Constantin ROZANOFF fut le premier pilote d’essai français à franchir la barrière sonique à bord du prototype DASSAULT « Mystère IV » équipé du réacteur Hispano-Suiza Tay.

12 avril 1961 Youri GAGARINE dans l’espace.

22 août 1963 le X-15 atteint 354 000 pieds soit 107 899 m.

28 juin 1964, vol initial du X-15 A2 qui atteint le 03 octobre 1967 la vitesse de Mach 6,7 soit plus de 7240 km/h.

16 mars 1973 CONCORDE 001 atteint 73 000 pieds (22 250 m).

15-16 Août 1995 : Tour du Monde d’ OUEST en EST en 31h 27min 49s soit 40 338 km. Temps réel de vol : 22 h 43 min

X-1

X-15