Comme chacun sait, les tentatives de vol supersonique ne datent pas d'hier. Dès la fin de la Seconde Guerre Mondiale, les vitesses atteintes 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.
1 – La nature du son
Pour bien comprendre pourquoi on entend un grand "bang" au passage de certains avions au dessus de nos têtes, il faut d'abord nous intéresser à la nature même du son.
Les ondes sonores sont des ondes mécaniques, c'est-à-dire :
• elles se propagent dans l'air
• elles se propagent à travers des zones de « compression-dilatation »
En effet l'air ne correspond pas au vide bien au contraire; il est constitué d'une multitude de molécules (o² , azote…) et de particules.
Ainsi, n'importe quel bruit est en réalité une succession de vibrations. Ces vibrations sont en fait les molécules d'air qui s'entrechoquent les unes contre les autres. Une impulsion (par exemple la vibration des cordes vocales) met en mouvement quelques molécules d'air. Ces molécules viennent frapper leurs voisines, qui frappent à leur tour leurs voisines, etc...
On peut schématiser ainsi : ( observation sur un ressort )
1> Une tranche d'air est ici représentée par différentes « couches » d'air.
2> Une perturbation à l'origine du son à lieu. Il y a perturbation du milieu et donc « compression » d'une de ces couches.
3> Cette perturbation se propage de proche en proche à chacune des couches théoriques. La couche précédente, ayant subi une compression, se dilate et reprend son état d'origine alors que l'autre se compresse à son tour et ainsi de suite… Et tout cela à la vitesse du son dans l'air : 340 m/s (environ 1200 km/h).
Mais ceci n'est qu'une représentation simplifiée car en réalité les ondes sonores se propagent dans toutes les directions que leur offrent le milieu. Dans l'air, elles se déplacent donc en 3 dimensions (selon un axe x, y, z).
2 – Pourquoi le Bang ?
Dans les conditions normales (au niveau du sol terrestre), une onde sonore se déplace donc à la vitesse de 340 mètres par seconde. Quand un avion vole, il "fabrique" du bruit (fig.1); la plupart des avions volants moins vite que le son, les ondes produites sont évacuées en avant de l'appareil (fig. 2). Mais quand un avion se rapproche de la vitesse fatidique de 340 mètres par seconde, le son qu'il génère est "rattrapé" par l'appareil, ce qui crée un "mur" d'ondes juste devant son nez (fig. 3). C'est la dépression qui s'ensuit qui est à l'origine du bruit fort et soudain que nous percevons.
1> Ainsi lorsque l'avion est à l'arrêt, il produit des ondes : ( voir pages effet doppler )
2> Si la source émettrice, ici l'avion, rentre en mouvement, cet aspect de cercles concentriques à égale distance va être modifié (vitesse subsonique) :
3> Dans le cas d'un supersonique, il arrive un moment où l'avion va si vite qu'il rattrape ses propres ondes (vitesse transsonique). Comme on le constate à la droite du dessin, les ondes sont particulièrement regroupées : c'est là que la pression est la plus forte. Par conséquent une « grosse » onde sonore progresse en même temps que l'avion : c'est le mur du son !
Si l'avion dépasse la vitesse du son, on dit qu'il vole à vitesse supersonique ; l'avion traîne alors derrière lui un cône de pression ou cône de Mach (Voir Partie III : Mathématiques), et c'est seulement dans la zone de contact de ce cône avec le sol que nous somme en mesure de percevoir le bang. Le « bang » du mur du son est en fait continu durant tout le voyage supersonique. Nous croyons qu'il n'y en a qu'un, car c'est ce que nous percevons lorsqu'il passe au dessus de nous.
3 – Les phénomènes rencontrés :
Après le passage du mur du son, le vol redevient normal, à condition que les formes du fuselage et de la voilure soient convenablement adaptées à la formation du cône - avant du fuselage pointu, bords d'attaque en lame de couteau. (Voir Partie IV :Technique)
Les contraintes physiques du mur du son ont donc incontestablement été les plus difficiles à surmonter; cependant, d'autres contraintes qui sont, elles, fortement liées à la vitesse, et ayant trait au corps humain, doivent aussi être prises en compte, c'est le sujet de la deuxième partie.
Le mur du son correspond à l'ensemble des phénomènes aérodynamiques qui se produisent quand un objet se déplace dans l'air avec une vitesse voisine de la célérité du son. Les ondes de choc rencontrées à Mach 1 forment devant l'avion 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 : les " 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. Des difficultés qui interviennent 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".
