Jeudi 29 novembre 2012 à 8:13

Sciences et techniques

A la suite de mon article sur l'exploit de Baumgartner, j'ai reçu plusieurs mails me demandant d'expliquer le "mur du son", le "bang" et ce qui se passait sur l'avion. On m'a posé également des questions sur la température en altitude et l'échauffement à la rentrée dans l'atmosphère.
            Je vais essayer d'exposer cela le plus simplement possibles, sans faire appel aux maths. (les figures sont empruntées à un cours de la société Dassault).
 
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/aviondecollage.jpg            Supposons d'abord l'avion arrêté saur la piste, réacteurs en marche. Le "bruit " du réacteur est en fait une onde de pression : les molécules d'air s'agitant sur de petits trajets sous l'effet des vibrations du moteur, créent cette surpression, qui se déplace progressivement dans tout l'espace à vitesse constante : la vitesse du son dans l'air; l'onde est sphérique, mais nous voyons sur la figure une coupe verticale et donc des cercles. Chacun correspond au son émis à des instants successifs. (figure 1)
            Si l'avion vient d'allumer son réacteur, nous n'entendrons le bruit que lorsque cette onde nous atteindra et ceci dans un même temps que nous soyons devant, derrière ou sur le coté.
            L'onde n'est pas la même chose que le vent. Si vous voulez vous représenter le phénomène : vous envoyez un caillou dans l'eau : il provoque une perturbation en soulevant un peu l'eau qui retombe, mais transmet le mouvement à l'eau voisine. Ainsi vous voyez des cercles dont le rayon grandit et qui donnent l'illusion d'un déplacement de l'eau, mais l'eau reste au même endroit et ce que vous voyez ce sont les mouvements successifs, décalés dans le temps, qui produisent ce phénomène de propagation d'une onde, c'est à dire d'une perturbation.
            Une onde plane : la "ola" dans le stade : les spectateurs ne se déplacent pas, il se lèvent et se rasseyent, mais vous avez l'impression d'un mouvement qui se propage sur les gradins.
           
 
            Maintenant l'avion vole, mais à vitesse subsonique.
            Non seulement son réacteur fait du bruit, mais l'avion qui écarte les molécules d'air pour passer crée une perturbation à son niveau, qui va se propager à la vitesse du son dans l'air. En fait c'est la vitesse de propagation de toute onde de perturbation dans l'air et on l'a appelé vitesse du son parce que le son est une perturbation courante, mais c'est un cas parmi d'autres.
            Entre la sphère la plus grande et les suivantes correspondant à des émissions ultérieures de son, l'avion a avancé et donc il émet le son d'un point un peu plus à gauche : les sphères ont leurs centres décalés dans le sens du déplacement et cela d'autant plus que l'avion va vite. (figure 2).
            Si vous êtes devant l'avion les émissions successives dans le temps du son vous atteindrons plus vite que si vous êtes derrière lui.
 
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/ondemurduson.jpg            L'avion atteint la vitesse du son, (à la pression a basse altitude et à la température de 15 d°C elle est de 340 m/s soit 1224 km/h (on appelle cette vitesse Mach1).
          Sur l'avant le son ne va pas plus vite que lui et reste en quelque sorte "planté devant lui". Toutes les sphères sont tangentes devant le nez de l'avion.
            On a appelé ce plan tangent (en pointillé sur la figure 3) le "mur du son", mais ce n'est pas vraiment un mur et cette appellation est malheureuse.
            Au niveau de ce plan, les pressions des perturbations se renforcent et on a des mouvements beaucoup plus importants et assez anarchiques des molécules d'air, les diverses ondes se renforçant par addition.
            L'avion ne se cassera pas le nez sur ce mur, mais il subit des perturbations dans sa pénétration dans l'air et sa portance et est secoué et ralenti. L'avion vibre énormément et il peut même y avoir une inversion des gouvernes pendant un bref instant.
            Au voisinage de la vitesse du son, le pilotage devient plus difficile et si on n'a pas un excédent de puissance, on ne peut plus accélérer.
            Jusqu'en 1947 les avions n'étaient pas assez puissants et donc les ilotes ne pouvaient franchir cette vitesse et avaient peur de ces perturbations inconnues à l'époque au plan aérodynamique. C'est pour cela qu'ils avaient l'impression de se heurter à un "mur" infranchissable.
 
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/ondesupersonique.jpg            Supposons que nous soyons maintenant au de la de la vitesse du son et donc dans un avion supersonique. Il va plus vite que les ondes de perturbation qu'il a émises. (figure 4).
            Les centres des cercles précédents vont maintenant être décalés vers l'arrière de l'avion.
            On peut montrer mathématiquement que ces cercles ont tous des points d'intersection où les perturbations s'ajoutent. Les lignes bleues joignent ces points (la figure n'est pas très bien faite).
            Dans l'espace, c'est un cône ayant pour sommet l'avion, ce cône étant les points communs des sphères successives. Ce cône se déplace avec l'avion et il matérialise la propagation des ondes de perturbation
            Sur ce cône, le passage des ondes successives crée une forte perturbation et donc une discontinuité pression quand on est au voisinage du cône, les molécules d'air devant le cône ayant une agitation normale car elle ne sont pas encore atteintes par la perturbation, et étant beaucoup plus agitées derrière le cône; La pression y est donc brutalement beaucoup plus forte : on appelle cela une "onde de choc".
           
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/ondechoc-copie-1.jpg            Supposons maintenant un homme sur terre : il voit l'avion supersonique passer et , oh surprise ne l'entend pas, puisque les ondes sonores ne l'ont pas atteint. Puis le cône de l'onde de choc (on l'appelle cône de Mach) passe sur ses oreilles dont les tympans sont brutalement soumis à une pression très forte : il entend comme un coup de canon le "bang" du passage de l'avion.
            Après le passage de cette onde de choc; la pression devient normale mais il entend alors le bruit normal de l'avion.

            Les journalistes disent souvent une bêtise croyant que le "bang " en se produit qu'au passage du mur du son par l'avion : c'est faux
            Le bang suit partout l'avion s'il est supersonique et à lieu après son passage quand l'onde de choc atteint la surface du sol.
            On entendait sur les premiers avions supersoniques un double bang, mais souvent très proches et pas toujours faciles à distinguer. Le premier correspond à l'onde de choc issue du nez de l'avion et surtout du bord d'attaque des ailes, le second est formé sur l'empennage. Dans les avions modernes, la section de l'avion est ajustée de manière qu'il n'y ait pas de discontinuité de la section globale de l'avion, ce qui se traduit notamment par un pincement du fuselage à la jonction avec les ailes. À cause de cette forme générale, l'onde de choc à grande distance est à présent unique.
   http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/FA18Hornetbreakingsoundbarrier287July199929.jpg                    
            Quant à l'avion qui évolue à une vitesse supersonique il est dans un milieu calme et sans perturbation et son pilotage redevient facile.
Il ne subira à nouveau des perturbations qu'en ralentissant et en passant à nouveau la vitesse critique du son, pour devenir subsonique.
            Mais au passage d'une onde de choc se produit un refroidissement et si l'atmosphère est saturée d'eau, celle-ci se condense en un nuage.
            On voit ainsi se matérialiser sur la figure ci contre, le cône de Mach provoqué par les ailes de cet avion supersonique. On voit un deuxième petit cône provoqué par l'excroissance du cocpick.
 


           
          
            La meilleure connaissance de l'aérodynamique a permis de comprendre ces phénomènes.
            Une meilleure technologie a également permis d'adapter les structures et les formes des aéronefs à ce passage du mur du son.
            Je vous dirai quelques mots de cette évolution demain, et je reviendrai quelques instants sur l'exploit de Baumgartner
 
 
 
 
Par maud96 le Jeudi 29 novembre 2012 à 12:09
Je ne savais pas que le "mur du son" se poursuit tant que l'avion vole à vitesse supersonique ! Je suppose qu'il existe une "altitude" où il ne provoque plus rien au niveau du sol, celle où volent les avions militaires.
 

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