Comment fonctionnent les avions supersoniques ?

En dessous de la vitesse du son, l'air qui se trouve devant un avion est prévenu de son arrivée par des ondes de pression et s'écoule en douceur tout autour. Au-delà de Mach 1, l'avion dépasse ses propres signaux de pression, et l'air est brutalement dévié en ondes de choc accolées au nez, aux entrées d'air, aux bords d'attaque des ailes et à la queue. Chaque onde de choc coûte de l'énergie, qui apparaît sous forme de traînée d'onde. Une conception supersonique commence par rendre ces ondes de choc aussi faibles et peu nombreuses que possible : un nez effilé, des ailes fines à bords d'attaque aigus, et une flèche ou un plan en delta pour que les bords d'attaque restent à l'intérieur du cône de Mach du nez. Le fuselage reste élancé et sa section transversale varie en douceur du nez à la queue, selon la règle des aires que Richard Whitcomb a formalisée dans les années 1950.

Le compresseur d'un moteur à réaction ne peut pas admettre un flux supersonique. C'est pourquoi tout avion supersonique possède une entrée d'air qui ralentit l'air jusqu'à environ Mach 0,5 avant qu'il n'atteigne la soufflante ou la face du compresseur, et elle le fait au moyen d'une série contrôlée d'ondes de choc obliques plutôt que d'une seule onde de choc normale violente. Sur le Concorde, cela était obtenu grâce à des rampes actionnées hydrauliquement à l'intérieur d'entrées rectangulaires, qui à Mach 2 fournissaient une grande partie de la poussée nette simplement en comprimant l'air entrant ; le SR-71 utilisait un cône mobile central dans chaque nacelle. Si l'entrée d'air tombe en panne, il se produit un « unstart », une perte violente de poussée lorsque le motif d'ondes de choc est expulsé du conduit.

La poussée elle-même provient de turboréacteurs ou de turbofans à faible taux de dilution, généralement avec postcombustion, qui brûle du carburant supplémentaire dans l'échappement pour franchir l'augmentation de traînée transsonique. Quelques avions, comme le Concorde et le F-22, peuvent ensuite voler en croisière supersonique sans postcombustion, ce qui est beaucoup plus économe en carburant.

À Mach 2, l'air comprimé contre le revêtement le chauffe à bien plus de 100 °C ; le nez du Concorde atteignait environ 127 °C et la structure s'allongeait d'environ 20 cm en croisière. Les alliages d'aluminium tolèrent approximativement cette limite ; des avions plus rapides, comme le SR-71, utilisaient du titane. La vitesse déplace aussi le centre de portance vers l'arrière, ce qui tendrait à faire piquer le nez. Le Concorde résolvait cela en pompant du carburant entre les réservoirs avant et arrière pour déplacer avec lui le centre de gravité, plutôt que de subir la traînée d'une déflexion d'équilibrage permanente. Les surfaces de contrôle perdent en efficacité lorsque des ondes de choc s'y forment, c'est pourquoi les avions supersoniques utilisent des stabilisateurs horizontaux à incidence variable complète ou des élevons qui font pivoter toute la surface.

Les ondes de choc se traînent derrière l'avion jusqu'au sol sous forme de bang supersonique, raison pour laquelle le vol supersonique civil au-dessus des terres est interdit dans la plupart des pays depuis les années 1970. Le X-59 de la NASA teste actuellement si un fuselage soigneusement conçu peut transformer ce bang en un simple choc feutré ; s'il y parvient, les règles pourraient changer.