Que se passe-t-il quand un avion devient supersonique ?

Le son est une onde de pression, et à vitesse subsonique l'air devant un avion reçoit un avertissement anticipé par ces ondes : l'écoulement commence à se dévier autour du nez et des ailes avant même leur arrivée. À Mach 1, l'avion se déplace aussi vite que cet avertissement, et les perturbations ne peuvent plus se propager vers l'avant. Elles s'accumulent dans des régions extrêmement fines où la pression, la température et la densité varient presque de façon discontinue. Ce sont des ondes de choc, et tout avion supersonique en porte un ensemble fixé à son nez, sa verrière, les bords d'attaque des ailes, les entrées d'air et la queue.

La partie inconfortable n'est pas d'être supersonique, mais d'y arriver. L'air accélère en contournant une aile, si bien que certaines zones de l'écoulement atteignent Mach 1 alors que l'avion est encore à Mach 0,8 environ. Des ondes de choc locales se forment sur la surface supérieure, la couche limite derrière elles se sépare, et la traînée augmente fortement. Sur les premiers avions qui ont exploré cette zone, les effets étaient spectaculaires : du tremblement, une tendance à piquer du nez appelée Mach tuck, des ailerons dont l'effet s'inversait, et des gouvernes de profondeur bloquées par l'onde de choc posée sur le plan horizontal. Le Bell X-1 a résolu ce dernier problème grâce à un empennage horizontal entièrement mobile, et les outils de conception qui ont suivi — ailes en flèche, profils fins et règle des aires — ont permis aux avions suivants de traverser cette zone en douceur.

Une fois pleinement supersonique, l'écoulement devient plus ordonné. Les ondes de choc se stabilisent, la traînée se fixe à un niveau plus élevé mais prévisible, et l'avion vole avec le centre de portance déplacé vers l'arrière, ce qui sur le Concorde était compensé en pompant du carburant vers un réservoir de trim à l'arrière. L'air comprimé par les ondes de choc chauffe également : à Mach 2, le nez du Concorde atteignait environ 127 °C, et le fuselage s'allongeait d'environ 25 cm en croisière. Les entrées d'air des moteurs ont besoin de rampes ou de cônes mobiles pour ralentir l'air entrant à une vitesse subsonique avant qu'il n'atteigne le compresseur. Les pilotes ressentent peu de chose ; le machmètre est le seul signe clair que quelque chose a changé.

Les ondes de choc ne restent pas avec l'avion. Elles se propagent vers l'extérieur en formant un cône et atteignent le sol sous la forme d'une brusque montée de pression suivie d'une chute, entendue comme un double bang. Le bang est continu tout au long de la trajectoire supersonique, c'est pourquoi le vol supersonique au-dessus des terres est interdit dans la plupart des pays depuis les années 1970, et pourquoi le X-59 de la NASA teste une forme qui atténue cette signature.