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Les avions et l’air : portance, mur du son et vitesse supersonique

Dossier - L'air et l'eau, deux fluides essentiels
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L’air et l’eau sont les deux fluides fondamentaux pour la vie. L’Homme en a un usage biologique quotidien, mais il en exploite aussi l’énergie. Cependant, il est bien difficile de prédire le comportement de l’environnement ! Découvrez les secrets de phénomènes météorologiques comme les orages, les tornades ou El Niño dans ce dossier.

  
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Quotidiennement, la troposphère est parcourue par des milliers d'avions, qui transportent des millions de passagers. Parmi eux, très peu comprennent comment ces lourds appareils peuvent voler sans même battre des ailes.

On peut savoir que la poussée des réacteurs compense la traînée (ou résistance du fluide environnant à l'avancement de l'objet) et permet à l'appareil de pénétrer dans l'air, mais la portance est beaucoup moins familière. Cette force est capable, grâce à des structures tourbillonnaires remarquables, d'équilibrer le poids (voir figure ci-après), et de faire voler l'avion.

Allure schématique de l’écoulement d’air autour d’une aile d’envergure finie avec une circulation à la vitesse Γ, invariante le long du grand tourbillon comme des tourbillons marginaux aux extrémités de l’aile. Noter le sens du courant d’air vertical induit par les tourbillons marginaux : ascendant à l’extérieur, descendant à l’intérieur. © Grenoble Sciences

Ciel, quel boucan !

Le bruit des avions, souvent assourdissant au voisinage des aéroports, s'explique lui aussi à partir des tourbillons. La corde d'une guitare et la lanière d'un fouet émettent un son en agitant les molécules d'air qui les entourent, il en est de même des ailes volantes ou tournantes et de la projection des réacteurs. Le bruit assourdissant est généré par les vibrations, auxquelles sont associés des tourbillons instationnaires. Indispensables à la portance, ceux-ci se déplacent très rapidement autour de l'aile de l'avion ou la pale de l'hélice. Par suite, leurs dépressions instables secouent l'air environnant et les perturbations ainsi engendrées se propagent à la vitesse du son. Sauf cas exceptionnel, cette vitesse est plus élevée que celle du déplacement du tourbillon qui a engendré la secousse. En conséquence, le bruit peut se propager dans toutes les directions, y compris à l'amont de la source émettrice, c'est-à-dire à l'avant de l'avion.

Lorsque l'avion vole à une vitesse supersonique, c'est-à-dire supérieure à la célérité des ondes sonores, celles-ci ne peuvent pas atteindre les régions situées à l'amont de l'avion, tout simplement parce que l'avion va plus vite. Il existe alors une sorte de frontière entre les régions que le son peut atteindre et celles qui sont hors de sa portée. Cette frontière est appelée « onde de choc » (voir figure ci-après). Pratiquement fixe par rapport à l'appareil et concentrant l'énergie dans une très petite aire, elle est extrêmement bruyante.

Représentation schématique de l'onde de choc, qui limite le cône de Mach, autour d'un avion en vol supersonique (Ma > 1). © Grenoble Sciences

En vol supersonique stabilisé, l'avion est en réalité accompagné de deux ondes de choc, l'une partant de son nez et du bord d'attaque des ailes, l'autre partant du bord de fuite de l'empennage arrière (voir photo ci-après). On peut considérer que l'air situé entre ces deux ondes accompagne l'avion à sa vitesse supersonique, sauf à grande distance de chaque côté, et que la seconde restaure des conditions normales subsoniques à l'aval. L'oreille ne distingue pas les deux chocs sonores, extrêmement proches, mais perçoit un bruit unique, couramment appelé « bang des avions supersoniques ».

Photographie d’un avion F-22 Raptor de l’armée de l’air américaine en vol supersonique, réalisée depuis le porte-avions USS John C. Stennis. La condensation de l’eau forme des nuages qui servent de marqueurs des zones en dépression. Le nuage triangulaire principal représente le cône de Mach le plus important, formé à partir du bord d’attaque de l’aile. On note aussi les traînées nuageuses où se condense la vapeur d’eau issue des réacteurs situés près des extrémités des ailes. © Charles Mc Cain, Flick, cc by nc 2.0

L'expression « mur du son », qui n'a pas de réalité physique, a été introduite par les premiers pilotes qui tentaient de dépasser la célérité des ondes sonores et qui ressentaient alors un durcissement des commandes de leur appareil lors de la transition subsonique-supersonique.