Vendredi 30 novembre 2012 à 8:44

Sciences et techniques

Je vous ai expliqué hier ce qu'était le "mur du son"
Ce terme a une origine historique et non scientifique, car lorsque les aviateurs  ont commencé à s'approcher de cette limite, ils ont remarqué des phénomènes d'instabilité et un durcissement des commandes de l'avion qui rendaient l'approche de cette limite particulièrement difficile, au point que les aviateurs avaient fini par l'appeler le mur du son. Lorsque Chuck Yeager a franchi cet obstacle à bord du Bell XS1, le terme est quand même resté pour donner une description imagée d'une augmentation brutale de la résistance.
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/180pxCharlesYeagerphotoportraitheadonshouldersleftside.jpgLe premier avion qui a franchi le mur du son est en effet un avion expérimental américain, le Bell XS1. (les avions X sont des prototypes d'essais).
Comme on n'avait pas d'élément d'études aérodynamiques (les souffleries n'étaient pas assez puissantes et surtout il n'y avait pas d'ordinateurs pour faire calculs et simulations), on lui a donné une forme de balle de fusil, et comme les réacteurs n'étaient pas assez puissants, on lui a mis un moteur de fusée alimentée par de l'acide éthyle et de l'oxygène liquide.
Comme son autonomie n'était que de 2,5 minutes, il était placé sous le ventre d'une superforteresse qui le larguait à 6000 m d'altitude.
Après 26 vols d'essais subsonique, le 14 octobre 1947, à 10h51, il atteint Mach 1,01 (1297 km/h) pendant une minute environ. Dans les vols suivants, l'appareil atteindra des vitesses plus élevés et notamment en 1954, Mach 2,5 à 22 000 m d'altitude, mais l'appareil devient incontrôlable et manque de s'écraser au sol après une chute vertigineuse.
Le phénomène n'avait rien d'aérodynamique et était une réaction de mécanique classique, lorsqu'à très grande vitesse, on fait un virage serré avec un véhicule dont les masses ne sont pas uniformément réparties autour de l'axe de rotation, les forces centrifuges engendrées par les différences de poids tendant alors à faire pivoter le système sur un axe de rotation perpendiculaire à l'axe initial et donc à mettre l'appareil en brutal piqué.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/x1081.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/3107094584acc8c94ba8.jpg


Les versions successives de cet avion seront ensuite bardées de capteurs de pression et température pour mieux connaître les phénomènes physiques aux grandes vitesses.
5 jours après un autre prototype américain , le North American Sabre XP86 atteindra Mach 1, 02, piloté par Georges Welch.
 
Vous remarquerez que le Bell XS1 avait comme les avions de l'époque des ailes perpendiculaires au fuselage.
Il est vite apparu que cette configuration était mauvaise pour un vol trans- et supersonique. Les avions militaires modernes ont donc des ailes en flèche ou en Delta.
Par ailleurs il est apparu que si l'on restreignait le diamètre du fuselage derrière les ailes, le cône de Mach était atténué.
Par ailleurs, pour avoir une meilleure résistance, un poids plus léger et aussi pour résister aux températures d'échauffement en vol de longue durée à ces vitesses (le nez d'un Concorde atteignait 120 d°C), des matériaux autres que l'aluminium sont employés : titane, et surtout matériaux composites en fibres de carbone.
            Le premier avion français militaire à franchir le mur du son fut le Mirage II en 1954.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/x43.jpg
          Les avions à réaction militaires des divers pays volent actuellement à Mach2 environ, mais un avion américain, le X43 A, a dépassé Mach 10 (11 000 km/h) en 2004. C'est un avion sans pilote, doté d'un statoréacteur, mesurant 3,65 m de long, 0,65 de haut et 1,5 m d'envergure.
            Le statoréacteur fonctionne sur le même principe qu'un réacteur, mais sans pièce mobile, en fait c'est la forme de la prise d'air qui remplace la turbine de compression : le flux d'air entre à la vitesse supersonique, est compressé et passe dans le moteur où de l'hydrogène est injecté dans le flux d'air et s'enflamme en réagissant avec l'oxygène de l'air; l'expansion rapide des gaz chauds engendre la poussée.
            Un statoréacteur a besoin d'atteindre une certaine vitesse pour s'auto-alimenter, et le X43 décolle, attaché au bout du nez d'une fusée , elle même attachée sous une superforteresse B52. Cet avion largue la fusée à 13 000 mètres et la fusée Pégasus emmène le X43 à 29 000 mètres et le largue à la vitesse de Mach 7. Le prototype a atteint mach10 pendant un vol de 12 secondes, puis il est descendu en vol libre et a plongé dans l'océan.
            C'est une étude de la NASA sur les vitesses hypersoniques et aussi sur l'utilisation éventuelles de statoréacteurs au décollage de fusées.

Un avion en vol supersonique et la visualisation, par condensation de la vapeur d'eau, du cône de Mach qu'il provoque.
Ce sont les bords d'attaque des ailes qui provoquent la perturbation.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/5257781296ad9046413.jpg
           Comme je l'ai dit hier, le cône de Mach accompagne l'avion tant qu'il est supersonique et qu'il y a de l'air. Mais s'il n'y a plus d'air les réacteurs ne fonctionnent plus et seules les fusées peuvent voler.
           Les avions militaires actuels volent au maximum vers 14 000 à 18 000 mètres, et les avions civils vers 12 000. Le C oncorde volait un peu plus haut
: 16 000 à 18 000 mètres. Seuls les avions américains d'observation genre U2 volent vers 28 000 m. Le cône de Mach se forme à ces altitudes, et lorsqu'il atteint le sol, même s'il est atténué, il s'entend.
         Mais pour que cela ne fasse pas repérer les U2 le constructeur a étudié des formes très bizarres (fuselage et ailes), qui suppriment presque complètement le cône de Mach et des revêtements qui à la fois minimisent les turbulences et surtout rendent l'avion presque invisible aux radars.

          
         Quelques mots sur Baumgartner.
         C'est effectivement plus un exploit sportif que scientifique.
         Mais cependant c'est un enseignement pour une éjection dans l'espace en cas d'accident, et son scaphandre est intéressant.
         En ce qui concerne le passage du mur du son, Baumgartner, en chute libre, soumis à des instabilités comme un avion, différentes car il n'avait pas d'ailes, mais qui l'on fait tourner sur lui même et c'était dangereux par les accélérations subies.
         Pour ce qui est de l'échauffement, en supersonique il n'a pas beaucoup dépassé Mach1 et pendant peu de temps puis il a ralenti doucement. Compte tenu de la température extérieure très basse en haute altitude, il n'y a guère eu d'échauffement.
Par jazz le Vendredi 30 novembre 2012 à 16:42
bonjour Jean-pierre
très intéressant tes articles sur le murs du son. un coucou musical jazz te proposant de découvrir Erik Truffaz sur mon blog un excellent trompettiste.bon w end et A+ du troubadour Emmanuel
 

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