Quand le mur du son est-il franchi ?

La vitesse du son dans l'air ne dépend que de la température, et non de la pression ni de l'altitude en elles-mêmes. La relation est simple : elle augmente avec la racine carrée de la température absolue. Dans l'atmosphère standard au niveau de la mer, à 15 °C, le son se propage à 340,3 m/s, soit 1 225 km/h (661 kn). À la tropopause, à 11 000 mètres et −56,5 °C, elle chute à 295 m/s, environ 1 062 km/h (573 kn), et reste constante au-dessus de cette altitude tant que la température ne change pas.

C'est pourquoi la référence opérationnelle n'est pas la vitesse en km/h mais le nombre de Mach : le rapport entre la vitesse de l'appareil et la vitesse du son dans cet air particulier. Un avion de ligne volant en croisière à Mach 0,85 se déplace à environ 900 km/h ; le même chiffre à basse altitude serait nettement plus rapide en valeur absolue.

Il n'existe pas de barrière physique à Mach 1, mais il y a une transition inconfortable. Déjà dans le régime transsonique, à partir de Mach 0,7 ou 0,8, des zones d'écoulement supersonique local apparaissent au-dessus des parties les plus bombées de l'aile, et avec elles des ondes de choc qui provoquent une forte hausse de la traînée et un décollement de l'écoulement. Ce phénomène, appelé divergence de traînée, est ce qui a fait subir à plusieurs prototypes des années 1940 des vibrations violentes, une perte d'efficacité des commandes, voire une inversion de la commande de profondeur, nourrissant l'idée d'une « barrière du son ».

La solution a été affaire de conception : les ailes en flèche, qui retardent l'apparition des ondes de choc ; les profils minces ; la règle des aires de Whitcomb, qui rétrécit le fuselage au niveau de l'aile pour lisser la répartition des sections transversales ; et le stabilisateur horizontal entièrement mobile, précisément la modification qui a rendu le Bell X-1 contrôlable.

Au-delà de Mach 1, l'appareil vole devant ses propres perturbations, qui s'accumulent en un cône de choc dont le passage au sol est perçu comme un bang sonique. Le bang est continu pendant toute la durée du vol supersonique : il traîne comme un sillage, il ne se produit pas seulement à l'instant du franchissement de Mach 1.

Le premier vol supersonique enregistré fut celui du Bell X-1 piloté par Charles « Chuck » Yeager le 14 octobre 1947, au-dessus du désert des Mojaves, à Mach 1,06 et environ 13 000 mètres d'altitude, après avoir été largué d'un B-29. En 1976, le Lockheed SR-71 Blackbird a établi le record de vitesse pour un avion habité à réaction : 3 529,6 km/h. Le record absolu de surface appartient au ThrustSSC, qui en 1997 a dépassé Mach 1 au sol.

Dans l'aviation civile, le vol supersonique a été une brève exception. Le Concorde a opéré entre 1976 et 2003 à Mach 2,02, et le Tupolev Tu-144 a eu une carrière commerciale encore plus courte. Le bang sonique a conduit à l'interdiction des vols supersoniques civils au-dessus du territoire de nombreux pays, ce qui a confiné ces appareils à des routes océaniques et a ruiné leur rentabilité. La recherche actuelle se concentre précisément sur l'atténuation de ce bang grâce à des formes qui dispersent les ondes de choc.