Qu'est-ce que le mur du son ? Explications sur le phénomène, appplet Java, très court historique. Pour aller plus loin Calcul de l'angle du cône de choc, application à la mesure de vitesse, le mur de la chaleur... Le compte-rendu du vol du 14 octobre 1947 Ce que Chuck Yeager a officiellement écrit de son vol supersonique....

L'angle du cône de choc
Si on considère un avion suivant une trajectoire rectiligne, sa vitesse est constante et supérieure à celle du son. La succession des ondes sonores émises tout au long de son déplacement produit un cône de choc supersonique comme illustré sur les shémas suivants. Dans cet exemple, la vitesse de l'avion est égale à 1,5 fois la vitesse de propagation du son.

Le cône de choc est matérialisé par la tangente au différents cercles correspondant à la propagation des ondes sonores, sur les schéma seuls trois cercles ont été représentés. Chaque cercle correspond à l'onde sonore émise alors que l'avion se trouvait au point de même couleur que le cercle.

Le demi-angle au sommet du cône de choc n'est pas quelconque, il est lié à la vitesse de propagation du son et à la vitesse de l'avion.

Pendant la durée t, l'avion a parcouru la distance :
     v_Avion x t
L'onde sonore a "parcouru" la distance :
     v_Son x t

La relation trigonométrique dans le triangle rectangle représenté ci-contre donne :

sinus ( Alpha ) = v_Son / v_Avion

Si la vitesse de l'avion est égale à celle du son, le demi-angle au sommet Alpha est égal à 90 °. Plus la vitesse sera élevée, plus l'angle Alpha sera aigu.

Cette relation peut être utilisée pour déterminer la vitesse d'une objet supersonique dès lors que le cône de choc est matérialisé d'une façon ou d'une autre.

 

Utilisation de l'angle du cône de choc pour déterminer la vitesse d'un avion

Il est très simple d'utiliser la relation précédente pour déterminer la vitesse d'un avion supersonique lorsque le cône de choc est visible. Pour appliquer cette méthode au F-4 Phantom ci-dessus, il suffit de matérialiser les deux droites limitant le cône de choc et de mesurer l'angle qu'elles forment. Pour des raisons de précision évidente, on mesurera l'angle 2Alpha et non pas l'angle Alpha.

Sur cet exemple, l'angle 2 x Alpha est égal à 120°, donc Alpha = 60°. Le raport des vitesses est donc :

v_Son / v_Avion = sinus ( 60° ) =0,87 soit v_Avion / v_Son= 1,15

L'avion vole donc à la vitesse de Mach 1,15, c'est à dire ( avec la vitesse du son supposée égale à 340 m/s ) 391 m/s ou 1407 km/h.

Il est très inhabituel qu'un avion ( fût-il un avion militaire ) vole si bas à une telle vitesse, l'explication est simple, il s'agissait d'un protoype utilisant un radar de suivi de terrain permettant au pilote de fixer exactement l'altitude à laquelle l'avion devait se maintenir sans risque d'accident. De tels dispositifs équipent nombre d'appareils modernes comme les ( Mirage 2000N et D, les Tornado européens, les Sukhoi Su-24 russes... )

Le mur de la chaleur
 Le mur de la chaleur n'est pas réellement une barrière physique comme le mur du son, cependant il a posé et pose encore des problèmes quasiment insolubles.
 Lorsque qu'un avion vole a grande vitesse, le frottement des molécules composant l'air engendre un échauffement important, la température du revêtement externe de l'avion peut atteindre des valeurs extrêmement élevées. Cet état de fait est à l'origine de la formation d'étoile filantes ( des micro-météorites qui brûlent suite à cet échauffement ) et permet d'éviter que des satellites en fin de vie ( ainsi que la station MIR ) ne provoquent des dégâts lors de leur chute, ils sont désintégrés bien avant de toucher le sol. De nombreuses recherches ont été faites à ce sujet ( un avion fusée américain X-15 est ainsi revenu à sa base à "demi-carbonisé" ).

 La solution la plus évidente est de voler à très haute altitude où l'air raréfié provoque un échauffement moindre, l'avion X-15 américain a ainsi réalisé des vols jusqu'à une altitude de 107 km en 1967. Cependant à très haute altitude, il n'est plus possible d'utiliser des systèmes de propulsion aérobies à cause du manque de dioxygène.

 Le mur de la chaleur est une des raisons qui ont fait que les avions des années 2000 ne volent pas plus vite que leurs prédécesseurs des années 70. En 30 ans, très peu de progrès ont été faits sur ce point alors qu'entre 1940 et 1960, la vitesse opérationnelle des avions les plus perfomants était passée de 500 km/h à 2500 km/h. En 1965, le Mig-25 et le SR-71 volent à 4000 km/h, aucun autre avion n'a ( semble-t-il ) fait mieux depuis.