Pourquoi le mur du son se brise-t-il ?

L'air transmet les perturbations de pression à la vitesse du son, environ 340 m/s (1 225 km/h, 661 kt) au niveau de la mer, et plutôt 295 m/s (1 062 km/h) dans l'air froid de l'altitude de croisière d'un avion de ligne. Un avion qui se déplace plus lentement que cela envoie un signal d'alerte devant lui : son champ de pression atteint l'air qui se trouve devant lui et l'écoulement se sépare en douceur. À mesure que l'avion approche Mach 1, ce signal arrive avec de moins en moins d'avance, et à Mach 1 il n'arrive plus du tout. L'air est frappé sans préavis, et sa pression, sa densité et sa température changent presque instantanément à travers une surface fine : une onde de choc.

Bien avant que l'avion dans son ensemble n'atteigne Mach 1, l'air accéléré au-dessus de la partie incurvée supérieure de l'aile devient localement supersonique, si bien que de petits chocs apparaissent sur l'aile à des vitesses de vol d'environ Mach 0,8. La plage comprise entre environ Mach 0,8 et 1,2 est le régime transsonique, et c'est là que se situe le problème.

Dans le régime transsonique, la traînée augmente fortement, parfois plusieurs fois, car les chocs consomment de l'énergie et épaississent la couche limite qui suit. Pire encore, les chocs se déplacent sur l'aile à mesure que la vitesse change, déplaçant le centre de portance vers l'arrière et privant la queue d'un écoulement d'air propre. Les pilotes de chasseurs à pistons de la fin de la guerre qui plongeaient à grande vitesse subissaient un fort piqué, des commandes qui semblaient figées et de violentes secousses ; certains avions se sont désintégrés. Pour les ingénieurs des années 1940, l'augmentation de traînée ressemblait à un mur sur le graphique, et la presse a appelé cela le mur du son.

La solution n'a pas été seulement la force brute, mais la géométrie : des ailes fines, une flèche pour réduire le nombre de Mach effectif vu par l'aile, un stabilisateur horizontal entièrement mobile pour conserver le contrôle en tangage, et plus tard la règle de l'aire, qui lisse l'évolution de la section transversale le long du fuselage. Le 14 octobre 1947, Chuck Yeager a emmené le Bell X-1, à propulsion fusée et en forme de balle de calibre .50 avec des ailes droites et fines, à Mach 1,06 vers 13 000 m (43 000 pieds). Le mur a été franchi, et l'autre côté s'est révélé plus calme : une fois pleinement supersonique, l'écoulement se stabilise, et la traînée, bien qu'élevée, cesse d'augmenter aussi brutalement.

Les ondes de choc ne disparaissent pas lorsqu'un avion dépasse Mach 1 ; elles le suivent comme un cône dont l'angle dépend du nombre de Mach. Là où le cône touche le sol, les gens entendent un bang sonique, typiquement une double détonation du choc de nez et du choc de queue qui arrivent avec une fraction de seconde de décalage. C'est pourquoi on dit souvent que le mur se « brise » plutôt que se « traverse » : le phénomène audible est une libération réelle et soudaine d'énergie, et il accompagne l'avion pendant tout le temps où il reste supersonique.