Mur du son

UnMcDonnell Douglas F/A-18 Hornetde l'US Navyfranchissant le mur du son. Le nuage blanc supersonique est formé par une diminution de lapression atmosphériqueet de la température autour de la queue de l'avion.

Lemur du sonest un concept de l'histoire de l'aviationbasé sur les difficultés scientifiques et techniques rencontrées dans le domainetranssoniqueau cours de la première moitié duXX^esiècle pour franchir la barre symbolique d'une vitesse égale à celle de lavitesse du sondans l'air, soit 340 mètres par seconde. Cette région de vitesse correspond à l'apparition d'ondes de choclocales à l'approche deMach1 puis globale: unbang supersoniquequi se propage à grande distance.

Histoire

Le terme de mur du son a une origine historique. En effet, lorsque les aviateurs de laSeconde Guerre mondialeont commencé à s'approcher de cette limite, ils ont remarqué des phénomènes d'instabilité et un « durcissement » des commandes de l'avion. Cette combinaison a rendu l'approche de cette limite particulièrement difficile, au point que les aviateurs avaient fini par l'appeler le « mur du son » pour reprendre un terme introduit par un ingénieur britannique desannées 1940,W. F. Hilton. De plus les modèles mathématiques disponibles à cette époque accréditaient l'hypothèse d'unesingularité de l'écoulementà ces vitesses.

Le pilote allemandHans Guido Mutkeaffirme avoir été le premier à passer le mur du son enavril 1945lors d'un piqué à 12 000 mètres avec sonMesserschmitt Me 262au cours duquel son cadran serait resté bloqué à1 100km/haprès de violentes secousses.

Un avion expérimental britannique, inspiré duMesserschmitt 163 Komet,leDe Havilland DH 108Swallow,construit dans les années 1940 pour tester le domaine des vitesses transsoniques se désintégra aux approches de la vitesse du son coûtant la vie à son pilote d'essai le 27 septembre 1946,Geoffrey de Havilland Jr.(en),le fils du constructeurGeoffrey de Havilland.Cet accident frappa l'imagination du public et accrédita l'idée qu'il s'agissait d'une limite infranchissable.

Chuck Yeagera franchi cet obstacle à bord duBell X-1le14 octobre 1947.

Le commandantRoger Carpentierest le premier pilote Français à passer officiellement le mur du son, le 12 décembre 1952, à bord d'unMystère II,au Centre d'essais en vol deBrétigny-sur-Orge.

Le 17 janvier 1953, le Dassault MD 454 (Mystère IV), piloté par le colonelConstantin Rozanoff,est le deuxième avion français à passer le mur du son, en piqué.

Le15décembre1953,Charles Goujonfit franchir à un prototypeEspadonle mur du son en vol horizontal.

Le régime transsonique

Écoulement sur une aile au voisinage dunombre de Mach critique.

Lorsqu'un avion dépasse lemach critique,environ 0,8, il se produit une fortedétente isentropiqueentraînant des régions de l'espacesupersoniques.La fin de ces régions est constituée par uneonde de chocapproximativement normale à la surface du corps. Ce phénomène qui apparaît brutalement modifie la pression pariétale et donc les caractéristiques aérodynamiques de l'avion. De plus il s'agit d'un phénomène instationnaire caractérisé par un tremblementet son apparition est très sensible à des paramètres de vol comme l'incidence.Il s'accompagne d'une augmentation importante de latraînée.

Ce phénomène peut être minimisé en jouant sur lesprofils d'ailede manière à repousser le choc vers lebord de fuite.

Le régime supersonique

Visualisation parstrioscopieen vol de deuxNorthrop T-38 Talon.On voit toutes les variations importantes de la masse volumique dont celle correspondante au choc à l'avant. La grande ouverture du cône de Mach indique une vitesse très faiblement supersonique (< 1,1).

Balayage du sol par uneonde de Mach.

Lorsque l'avion atteint Mach = 1 on entre dans le régime supersonique caractérisé par uneonde de chocattachée à l'avant de la carlingue. Celle-ci dégénère progressivement pour devenir une simpleonde sonorede forme conique appeléeonde de Mach,de demi-angle au sommetdonné par lesrelations de Rankine-Hugoniot,égal à l'angle de Mach$\theta _{M}=\textstyle \arcsin 1/M$,M étant le nombre de Mach du mobile. L'onde balaie le sol à unevitesse de phaseégale à la vitesse de l'avion. La trace du front de propagation est unehyperbole,intersection du cône avec la surface du sol supposée plane.

Il est possible d'estimer empiriquement la surpression au sol, laquelle dépend de nombreux paramètres: type et taille de l'avion, position relative à l'observateur, conditions atmosphériques... Le signal de pression a généralement une forme en N avec un front de surpression suivie d'une diminution vers une sous-pression et un retour à la normale également sous forme d'un front très court.Les deux fronts constituent un signal audible. L'intervalle entre les deux (quelques dixième de seconde) ne permet généralement pas de les séparer. Toutefois la perception d'un « double bang » est possible pour une source de grande taille comme lanavette spatiale américaine.

Le phénomène n'est pasisotropedu point de vue de l'énergie émise. Il est possible d'optimiser la conception pour minimiser la puissance envoyée vers le sol. C'est le but recherché dans le projetX-59de la NASA.

On parle parfois de « passage du mur du son » bien que ceci ne corresponde pas à une variation de vitesse de l'avion.

Objets supersoniques

Outre lesavions,missiles,lanceurs,qui atteignent le vol supersonique par vitesse croissante, on note des objets qui font le chemin inverse ou restent en supersonique comme lesmétéoritesou les objets effectuant unerentrée atmosphériquecomme les sondes ou lesnavettes spatiales.

On peut également mentionner quelques cas plus anecdotiques:

• Véhicule terrestre: le15 octobre 1997,leThrust SSCbat le record de vitesse au sol dans ledésert de Black Rockau nord duNevadaet dépasse le mur du son en atteignant les1 227,99km/h;
• Chute d'un humain: le14 octobre 2012,Felix Baumgartnersaute d'un ballon gonflé à l'hélium d'une altitude de 36 529 mètres au-dessus du désert duNouveau-Mexique.Il atteint1 357,6km/h,soit 1,25 fois la vitesse du son.
• Fouet:le claquement d'un fouet long et souple résulte du passage de son extrémité en supersonique.

Notes et références

• Notes

• Références

Articles connexes

• Nuage de condensation (aéronautique)