Pourquoi les avions supersoniques ont-ils des ailes en flèche ?

Lorsqu'un avion approche de la vitesse du son, l'air au-dessus de la partie la plus épaisse de l'aile accélère au-delà de Mach 1 alors que l'avion lui-même reste subsonique. Des ondes de choc se forment, la couche limite se décolle derrière elles, et la traînée augmente brutalement : c'est l'augmentation de traînée transsonique, qui apparaît à partir de Mach 0,75 environ sur une aile droite et épaisse. Au-delà de Mach 1 apparaît une seconde pénalité, la traînée d'onde, l'énergie emportée par les ondes de choc qui traîne toute la cellule de l'avion.

La flèche fonctionne parce que seule la composante de l'écoulement d'air perpendiculaire au bord d'attaque compte pour le champ de pression sur la section de l'aile. L'écoulement parallèle au bord d'attaque glisse simplement le long de l'envergure et ne fait rien aérodynamiquement. Une aile avec 45 degrés de flèche à Mach 0,9 se comporte donc comme si l'écoulement d'air était d'environ Mach 0,64, et son nombre de Mach critique augmente en conséquence. Cela a été compris en Allemagne dans les années 1930, grâce aux travaux d'Adolf Busemann et d'Albert Betz, et les recherches capturées ont façonné le F-86, le B-47 et tous les avions de ligne à réaction depuis.

À vitesse supersonique, la même idée prend une forme différente. Le nez génère un cône de Mach dont le demi-angle se réduit quand la vitesse augmente. Si le bord d'attaque de l'aile reste à l'intérieur de ce cône, l'air qu'il rencontre demeure subsonique dans la direction pertinente, le bord d'attaque peut être arrondi, et la traînée d'onde reste modérée. C'est pourquoi le delta ogival du Concorde avait tant de flèche près de l'emplanture, et pourquoi les chasseurs à Mach 2 utilisent des ailes en delta ou des angles de flèche supérieurs à 50 degrés. Des sections fines et une répartition douce de la section transversale, la règle des aires, réduisent encore la traînée d'onde.

Une aile en flèche produit moins de portance à basse vitesse, tend à décrocher d'abord par les extrémités, ce qui fait se relever le nez, et elle est plus lourde et plus flexible pour son envergure. Les vitesses d'atterrissage augmentent et la maniabilité à basse vitesse se dégrade. Les concepteurs répondent avec des becs de bord d'attaque, des volets complexes, ou en faisant varier la flèche elle-même : le F-111, le F-14, le Tornado et le B-1 font pivoter leurs ailes vers l'avant au décollage et vers l'arrière pour le vol à haute vitesse. Le compromis est toujours le même : la flèche achète de la vitesse et coûte des performances au sol.

Certains types supersoniques, notamment le F-104 et avant lui le Bell X-1, ont utilisé à la place des ailes droites très fines. Une aile suffisamment fine maintient la traînée d'onde à des niveaux acceptables sans avoir besoin de flèche, au prix d'une portance médiocre à basse vitesse et de bords d'attaque tranchants comme des lames. Les conceptions modernes combinent les deux solutions : flèche modérée, sections fines et une règle des aires soigneusement travaillée, ajustées à la plage de vitesses que l'avion va réellement utiliser.