LE MUR DU SON

La légende du mur

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. 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 Ernst Mach 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 compressé à laquelle on a donné le nom de Mur du son .Cette accumulation d'ondes produit au sol des effets sonores et dynamiques : le BANG.

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 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.

Le phénomène du bang

1 Vitesse subsonique

Propagation des ondes sonores pour une source fixe

On sait que le vol de l'avion perturbe le champ de pression et crée une onde sur son passage.

Regardons l'avion statique (vitesse 0), moteur tournant. Comme toute source sonore, le moteur émet des ondes de pression qui se propage à la vitesse du son en cercles concentriques centrés sur cette source (cette onde à la même forme que celle que créerait un caillou tombant dans l'eau). (Figure 1).

Propagation des ondes sonores pour une source subsonique

Si la source sonore n'est plus fixe mais mobile, lorsque l'on regarde ces ondes se propager, elles ne sont plus concentriques (puisque leur centre se déplace). Les anneaux se rapprochent les uns des autres (Figure 2).

2 Vitesse transsonique

Imaginons maintenant notre avion se déplaçant à la vitesse du son. Lorsque l'avion est à Mach 1 il vole à la vitesse du son, lorsque son Mach < 1, il est subsonique, lorsque son Mach > 1, il est supersonique.

A Mach 1, quelle va être la forme de la propagation des ondes sonores?

Ces ondes vont désormais être toutes tangentes puisque la source sonore va à la même vitesse que la propagation des ondes.

Des ondes qui se chevauchent créent des phénomènes aléatoires de résonance du champ des pressions qui forment un véritable mur auquel se heurte l'avion dans son déplacement : le mur du son.

3 Régime supersonique

Plaçons-nous maintenant au-delà de Mach 1 : vitesse supersonique (on parlera de régime hypersonique au delà de Mach 3).

Quelle va être la forme de la propagation des ondes sonores?

La source de perturbation va maintenant plus vite que la propagation des ondes.

Il se forme donc à partir de l'avion un cône qu'on appelle cône de Mach qui est le centre de fortes perturbations de pressions.

C'est la trace de ce cône au sol qui occasionne le Bang que l'on entend (en réalité un double bang).

Avant le passage de cette trace, on n'entend rien, on est d'ailleurs surpris parce qu'on peut voir l'avion sans l'entendre.

Après le passage de cette trace et le Bang (surpression violente au niveau des tympans du spectateur) on entend le bruit normal de l'avion.

L'onde de choc et bangs soniques

Le diagramme montre la variation de la forme du cône de choc du CONCORDE 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.

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

Le Bell X1 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 1^er 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 Nort American X 15 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.

Le 12 avril 1961, Youri GAGARINE dans l'espace.

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

Le 28 juin 1964, vol initial du X-15 A2 qui atteint le 03 octobre 1967 la vitesse de Mach 6,7 soit plus de 7290 km/h.

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

Les 15-16 Août 1995, CONCORDE 213 F-BTSD fait le Tour du Monde d'OUEST en EST en 31h 27min 49s soit 40 338 km. Temps réel de vol : 22 h 43 min. Le vol AF 1995 a entrepris le tour du globe vers l'est, suivant l'itinéraire : New York - Toulouse - Dubaï - Bangkok - Guam - Honolulu - Acapulco - New York.