L’aérodynamique supersonique est plus simple que l’aérodynamique subsonique car les feuilles d’air à différents points le long de l’avion ne peuvent souvent pas s’influencer mutuellement. Les jets supersoniques et les fusées nécessitent une poussée plusieurs fois plus grande pour traverser la traînée aérodynamique supplémentaire ressentie dans la région transsonique (environ Mach 0,85-1,2). À ces vitesses, les ingénieurs aérospatiaux peuvent guider doucement l’air autour du fuselage de l’avion sans produire de nouvelles ondes de choc, mais tout changement dans la zone transversale plus loin dans le véhicule entraîne des ondes de choc le long du corps. Les concepteurs utilisent la règle de l’aire supersonique et la règle de l’aire de Whitcomb pour minimiser les changements soudains de taille.
La source sonore a maintenant franchi la barrière de la vitesse du son et se déplace à 1,4 fois la vitesse du son, c (Mach 1,4). Parce que la source se déplace plus rapidement que les ondes sonores qu’elle crée, elle dirige en fait le front d’onde qui avance. La source sonore passera devant un observateur stationnaire avant que l’observateur n’entende réellement le son qu’il crée.
Onde de choc conique avec sa zone de contact au sol en forme d’hyperbole en jaune
Cependant, dans les applications pratiques, un avion supersonique doit fonctionner de manière stable en subsonique et supersonique profils, donc la conception aérodynamique est plus complexe.
Un problème avec le vol supersonique soutenu est la génération de chaleur en vol. À des vitesses élevées, un échauffement aérodynamique peut se produire, de sorte qu’un avion doit être conçu pour fonctionner et fonctionner à des températures très élevées. Le duralumin, un matériau traditionnellement utilisé dans la fabrication d’aéronefs, commence à perdre de sa résistance et à se déformer à des températures relativement basses, et ne convient pas pour une utilisation continue à des vitesses supérieures à Mach 2,2 à 2,4. Des matériaux tels que le titane et l’acier inoxydable permettent des opérations à des températures beaucoup plus élevées. Par exemple, le jet Lockheed SR-71 Blackbird pourrait voler en continu à Mach 3,1, ce qui pourrait entraîner des températures sur certaines parties de l’avion dépassant 315 ° C (600 ° F).
Un autre sujet de préoccupation pour le vol soutenu à grande vitesse est le fonctionnement du moteur. Les moteurs à réaction créent une poussée en augmentant la température de l’air qu’ils ingèrent, et à mesure que l’avion accélère, le processus de compression dans l’admission provoque une élévation de température avant qu’il n’atteigne les moteurs. La température maximale admissible de l’échappement est déterminée par les matériaux de la turbine à l’arrière du moteur, de sorte que lorsque l’avion accélère, la différence de température d’admission et d’échappement que le moteur peut créer, en brûlant du carburant, diminue, tout comme le fait la poussée. La poussée plus élevée nécessaire pour les vitesses supersoniques devait être récupérée en brûlant du carburant supplémentaire dans l’échappement.
La conception de l’admission était également un problème majeur. La plus grande partie de l’énergie disponible dans l’air entrant doit être récupérée, appelée récupération à l’admission, en utilisant des ondes de choc dans le processus de compression supersonique dans l’admission. Aux vitesses supersoniques, l’admission doit s’assurer que l’air ralentit sans perte de pression excessive. Il doit utiliser le type correct d’ondes de choc, obliques / planes, pour que la vitesse de conception de l’avion comprime et ralentisse l’air à une vitesse subsonique avant qu’il n’atteigne le moteur. Les ondes de choc sont positionnées à l’aide d’une rampe ou d’un cône qui peut devoir être ajustable en fonction des compromis entre la complexité et les performances requises de l’aéronef.
Un avion capable de fonctionner pendant de longues périodes à des vitesses supersoniques a un avantage potentiel de portée par rapport à une conception similaire fonctionnant de manière subsonique. La plupart de la traînée qu’un aéronef voit en accélérant jusqu’à des vitesses supersoniques se produit juste en dessous de la vitesse du son, en raison d’un effet aérodynamique appelé traînée des vagues. Un avion qui peut accélérer au-delà de cette vitesse voit une diminution significative de la traînée et peut voler de manière supersonique avec une économie de carburant améliorée. Cependant, en raison de la façon dont la portance est générée de manière supersonique, le rapport portance / traînée de l’avion dans son ensemble diminue, ce qui entraîne une portée inférieure, compensant ou renversant cet avantage.
La clé pour avoir un supersonique bas la traînée consiste à façonner correctement l’avion dans son ensemble pour qu’il soit long et mince, et proche d’une forme «parfaite», l’ogive von Karman ou le corps Sears-Haack. Cela a conduit presque tous les avions de croisière supersoniques à se ressembler beaucoup, avec un fuselage très long et élancé et de grandes ailes delta, cf. SR-71, Concorde, etc. Bien que n’étant pas idéal pour les avions de passagers, cette mise en forme est tout à fait adaptable pour l’utilisation de bombardiers.
Histoire du vol supersonique >
La recherche aéronautique pendant la Seconde Guerre mondiale a conduit à la création du premier avion propulsé par fusée et par réaction. Plusieurs allégations de rupture du mur du son pendant la guerre sont apparues par la suite.Cependant, le premier vol reconnu dépassant la vitesse du son par un aéronef habité en vol en palier contrôlé a été effectué le 14 octobre 1947 par l’avion de recherche expérimental Bell X-1 piloté par Charles « Chuck » Yeager. Le premier avion de production à franchir le mur du son était un F-86 Canadair Sabre avec la première femme pilote «supersonique», Jacqueline Cochran, aux commandes. Selon David Masters, le prototype DFS 346 capturé en Allemagne par les Soviétiques, après avoir été libéré d’un B-29 à 32800 pieds (10000 m), a atteint 683 mph (1100 km / h) à la fin de 1945, ce qui aurait dépassé Mach 1 à cette hauteur. Le pilote de ces vols était l’Allemand Wolfgang Ziese.
Le 21 août 1961, un Douglas DC-8-43 (immatriculation N9604Z) a dépassé Mach 1 lors d’un piqué contrôlé lors d’un vol d’essai à Edwards Air Force Base. L’équipage était composé de William Magruder (pilote), Paul Patten (copilote), Joseph Tomich (ingénieur de vol) et Richard H. Edwards (ingénieur d’essais en vol). Il s’agissait du premier vol supersonique effectué par un avion de ligne civil autre que le Concorde ou le Tu-144.