Pourquoi les avions franchissent-ils le mur du son ?

Un avion en vol perturbe l'air qui l'entoure, et ces perturbations se propagent sous forme d'ondes de pression à la vitesse du son : environ 340 m/s (1 225 km/h) au niveau de la mer et à 15 °C, et environ 295 m/s (1 060 km/h) dans la stratosphère, où l'air est plus froid. Tant que l'avion vole plus lentement que ses propres ondes, celles-ci le précèdent et l'air en amont « sait » qu'il arrive et commence à s'écarter en douceur. Lorsque l'avion approche cette vitesse, Mach 1, les ondes ne peuvent plus s'échapper vers l'avant : elles s'accumulent en un front de compression abrupt, l'onde de choc, et le comportement de l'air autour de l'appareil change radicalement.

Avant que l'avion entier n'atteigne Mach 1, l'air accéléré au-dessus de la partie la plus cambrée de l'aile devient déjà localement supersonique. Des ondes de choc apparaissent sur l'extrados et décollent la couche limite, la traînée se multiplie et les commandes perdent leur efficacité, voire inversent leur effet. Cette zone, grossièrement comprise entre Mach 0,8 et 1,2, est ce qui a disloqué plusieurs appareils dans les années 1940 et a donné naissance à l'idée d'un mur infranchissable. Le Bell X-1, piloté par Chuck Yeager, a prouvé en octobre 1947 qu'un tel mur n'existait pas : avec un fuselage inspiré d'une balle, un stabilisateur horizontal entièrement mobile et un moteur-fusée, il a franchi Mach 1 en vol horizontal.

Voler plus vite que le son exige trois choses. D'abord, une poussée abondante : la traînée d'onde est si importante que de nombreux chasseurs ne la surmontent qu'avec la postcombustion, même si certains appareils modernes atteignent la supercroisière sans elle. Ensuite, des formes qui retardent et adoucissent les ondes de choc : ailes en flèche ou en delta, profils minces, nez pointus et la règle des aires, qui exige que la section totale de l'appareil varie en douceur du nez à la queue. Enfin, des commandes et une structure capables de supporter les déplacements du centre de pression et les charges du régime supersonique.

Les ondes de choc qui accompagnent l'appareil se propagent jusqu'au sol comme un cône et sont perçues comme un double bang, l'un venant du nez et l'autre de la queue. C'est ce bruit qui explique pourquoi le Concorde ne pouvait voler en supersonique qu'au-dessus de la mer, et pourquoi on étudie aujourd'hui des fuselages capables de réduire le bang à un bruit sourd étouffé, comme le démonstrateur X-59 de la NASA.