Comment fonctionne le mur du son ?

À vitesse normale, un avion s'annonce lui-même. Les perturbations de pression voyagent devant lui à la vitesse du son, et l'air commence à s'écarter avant même que le nez et l'aile n'arrivent, s'écoulant en douceur tout autour. Plus l'avion s'approche de la vitesse du son, moins cet avertissement a de temps pour agir. L'air atteint les surfaces avant de pouvoir s'ajuster, et au lieu de s'écarter en douceur, il se comprime brusquement dans une région très fine appelée onde de choc. En traversant une onde de choc, la pression, la température et la densité bondissent presque instantanément tandis que l'écoulement se ralentit. Les premières ondes de choc apparaissent non pas à Mach 1, mais avant, généralement autour de Mach 0,8, parce que l'air qui accélère sur la partie bombée supérieure de l'aile est déjà localement supersonique, même si l'avion dans son ensemble ne l'est pas.

Les ondes de choc coûtent de l'énergie, et l'avion la paie sous forme de traînée. Entre environ Mach 0,8 et Mach 1,2, le régime transsonique, la traînée peut se multiplier plusieurs fois à mesure que les ondes de choc se forment, se renforcent et se déplacent sur les ailes et le fuselage. Derrière une onde de choc, la couche limite se décolle souvent de la surface, provoquant des secousses (buffet) et une perte de portance. Le centre de portance se déplace vers l'arrière, inclinant le nez vers le bas selon une tendance appelée Mach tuck, et les gouvernes situées derrière une onde de choc peuvent perdre de leur effet car l'air qui les atteint a déjà été perturbé. Les avions à hélice de la Seconde Guerre mondiale ont subi ces effets lors de piqués à grande vitesse, et plusieurs ont été perdus, d'où est née l'idée d'une barrière solide.

La barrière s'est révélée être une question de poussée et de forme, pas une limite absolue. Les moteurs à réaction et les moteurs-fusées fournissaient une poussée qui continuait d'augmenter à haute vitesse, contrairement aux hélices, dont les pointes devenaient supersoniques en premier. Les ailes fines et les nez effilés retardent et affaiblissent les ondes de choc ; mettre les ailes en flèche réduit la vitesse que l'air perçoit le long de la corde et déplace la hausse de traînée vers un nombre de Mach plus élevé. Un stabilisateur horizontal entièrement mobile, plutôt qu'un gouvernail de profondeur articulé, maintient le contrôle du tangage sur toute la plage transsonique. La règle de l'aire, découverte dans les années 1950, a démontré que lisser la façon dont la section transversale totale d'un avion varie sur sa longueur réduit fortement la traînée transsonique, c'est pourquoi certains avions supersoniques ont des fuselages resserrés. Une fois Mach 1 dépassé, les ondes de choc se stabilisent en un schéma fixe et le vol redevient plus calme, bien que la traînée reste supérieure à celle du croisière subsonique.