Comment la vitesse du son change-t-elle avec l'altitude ?

Dans un gaz parfait, la vitesse du son dépend de la racine carrée de la température absolue multipliée par une constante qui inclut la composition du gaz. La pression et la densité s'annulent dans l'équation, ce qui surprend beaucoup de gens : l'air raréfié de l'altitude transmet le son tout aussi vite que l'air dense à la même température. La question de savoir comment la vitesse du son change avec l'altitude est donc en réalité la question de savoir comment la température change avec l'altitude, et c'est ce que décrit l'Atmosphère Standard Internationale utilisée par l'OACI et tous les constructeurs d'avions.

Dans l'atmosphère standard, la température au niveau de la mer est de 15 °C et diminue de 6,5 °C par kilomètre dans la troposphère. La vitesse du son baisse avec elle : 340,3 m/s (661 kt) au niveau de la mer, environ 328 m/s à 3 000 m, 316 m/s à 6 000 m et 295,1 m/s (574 kt) à la tropopause, fixée à 11 000 m (36 089 ft). Au-dessus, dans la basse stratosphère, la température standard reste fixe à −56,5 °C jusqu'à 20 km, donc la vitesse du son demeure constante à 295 m/s. Plus haut, l'absorption de l'ozone réchauffe la stratosphère et la vitesse du son remonte, jusqu'à environ 330 m/s près de 47 km, avant de redescendre dans la mésosphère. L'atmosphère réelle s'écarte de ces chiffres selon le jour, la saison et la latitude, et l'air froid de l'hiver sibérien ou l'air chaud du golfe Arabique décale les valeurs de plusieurs points de pourcentage.

Le nombre de Mach est la vitesse vraie divisée par la vitesse locale du son, donc la même vitesse vraie correspond à un nombre de Mach plus élevé en altitude. Un avion de ligne qui croise à Mach 0,82 à 11 000 m a une vitesse vraie d'environ 242 m/s (470 kt) ; au niveau de la mer, le même nombre de Mach correspondrait à 279 m/s (542 kt). C'est pourquoi les profils de montée sont volés à vitesse indiquée constante jusqu'à une altitude de croisière puis à Mach constant : le nombre de Mach critique de l'aile, au-delà duquel apparaissent des ondes de choc et la traînée augmente, est atteint à une vitesse vraie plus faible à mesure que l'avion monte. Le même effet réduit la marge entre le décrochage à basse vitesse et le tremblement à haute vitesse aux altitudes très élevées, la région que les pilotes appellent « le coin du cercueil ».

Les fusées traversent toutes ces couches en quelques minutes. Le point de pression aérodynamique maximale, max-Q, se produit à basse altitude, vers Mach 1 à 1,5, et les lanceurs réduisent la poussée pour limiter les charges à ce moment-là ; plus haut, la baisse de densité pèse bien plus que les petites variations de la vitesse du son.