Pourquoi la barrière du son existe-t-elle ?

L'expression est entrée dans le langage courant dans les années trente et quarante, lorsque les avions ont commencé à voler assez vite pour rencontrer des difficultés en approchant de la vitesse du son, et les journalistes ont transformé les discussions des ingénieurs sur une « barrière de compressibilité » en quelque chose qui sonnait comme un mur. Il n'existe aucun mur. Ce qui existe est une région, approximativement entre Mach 0,8 et Mach 1,2, où le comportement de l'air change de caractère, et les avions conçus pour des vitesses inférieures s'y comportent mal. Les chasseurs de la Seconde Guerre mondiale qui piquaient à la verticale, comme le P-38 Lightning, furent les premiers à la rencontrer : vibrations violentes, commandes bloquées et un nez qui s'inclinait vers le bas sans pouvoir se redresser.

L'air qui s'écoule sur une aile courbée accélère, si bien que l'écoulement local atteint Mach 1 alors que l'avion vole encore bien en dessous de cette vitesse. Là où l'écoulement redécélère jusqu'à une vitesse subsonique, il le fait à travers une onde de choc, une surface fine à travers laquelle la pression bondit brusquement. Derrière le choc, la couche limite se décolle, la portance se perd sur cette partie de l'aile et la traînée augmente de plusieurs fois, dans ce que les ingénieurs appellent l'augmentation de traînée transsonique. Sur un stabilisateur horizontal classique, le choc se situait exactement à l'endroit de la charnière de la gouverne de profondeur, si bien que sa déflexion n'avait plus aucun effet. Les hélices, dont les extrémités tournent plus vite que l'avion lui-même, rencontraient le même problème plus tôt, ce qui explique en partie pourquoi aucun avion à hélice n'a volé en supersonique en vol horizontal.

Les solutions sont venues de la théorie, des souffleries et d'un vol célèbre. Les ailes fines et la flèche retardent l'apparition d'un écoulement supersonique local ; les recherches allemandes des années trente sur les ailes en flèche ont été adoptées dans le monde entier après 1945. Un stabilisateur horizontal entièrement mobile, installé sur le Bell X-1 sur suggestion des ingénieurs de la NACA, a rendu le contrôle en tangage. Une poussée suffisante, issue de fusées ou de réacteurs avec postcombustion, a permis de traverser l'augmentation de traînée plutôt que de la contourner. Le 14 octobre 1947, Chuck Yeager a amené le X-1 à Mach 1,06 en vol horizontal au-dessus du désert des Mojave, démontrant que la barrière était un problème d'ingénierie et non une loi de la nature. La règle d'aire de Richard Whitcomb, publiée en 1952, a ensuite expliqué pourquoi les fuselages doivent se rétrécir à la racine de l'aile, et en une décennie les chasseurs volaient couramment à Mach 2.

Aujourd'hui, la barrière survit surtout comme un coût. La traînée d'onde supersonique est réelle et permanente, si bien que la consommation de carburant par kilomètre double pratiquement par rapport à un réacteur subsonique. Le bang sonique persiste sur toute la trace au sol, et c'est la réglementation, pas la physique, qui maintient les avions civils en vol subsonique au-dessus des terres.