Evolution de la vitesse : Les obstacles , l'hélice et le mur du son

Lorsque l'homme essaye pour la première fois de voler, il cherche tout naturellement à imiter l'oiseau et il conçoit l'avion à aile battantes. Les médiocres résultats atteints incitent les spécialistes à chercher une autre solution qui fut celle de l'aile fixe assurant la portance et de l'hélice produisant la poussée nécessaire au vol. Le mouvement rotatif de l'hélice convient à celui du vilebrequin des moteurs à explosion. La voie est tracée. Quelques années seulement après les premiers sauts de puce des pionners, des avions civils et militaires opérationnels sont produit en série. Un quart de siècle suffit à la réalisation des grands rêves aéronautiques : traversées des Alpes, de la Manche puis de l'Atlantique. Le développement prodigieux des moteurs à explosion est suivi de près par celui des hélices dont le rendement s'améliorere considérablement lors de la mise au point du pas variable réglable à la main, puis automatique. Afin d'absorber la puissance toujours plus élevée des moteurs, l'hélice voit ses dimensions s'accroître de façon inquiétante. Le nombre de ses pale passe de deux à trois puis quatre et même cinq et son diamètre atteint plus de cinq mètres.

Au début de la Seconde Guerre mondiale, alors que le cap des 500 kilomètres à l'heure et des 12 000 mètres d'altitude est franchit, une lutte farouche s'engage entre les bureaux techniques des usines aéronautiques. La suprématie aérienne absolue est la condition essentielle à la victoire finale, chaque puissance cherche à produire l'appareil le plus rapide. Les constructeurs d'avions, grace à des essais en soufflerie ou en vol au moyen de maquettes, mettent au point des formes  de faible résistance à l'avancement. Des techniques nouvelles de construction permettent de fabriquer des ailes robustes bien qu'extrêment minces, donc de faible traînée. De leur côté les constructeurs luttent afin d'augmenter la puissance des moteurs à explosion, tout en réduisant leur surface frontale et leur poids.

Les motopropulseurs 

Jusqu'en 1947/48 les avions étaient presque exclusivement équipés de moteur à pistons. Leur classification peut se faire ainsi :

En considération de leur construction : moteurs en ligne, moteur en étoile.

En considération de la formation du mélange de combustible : moteur à carburateur, moteur à injection.

Les moteurs en lignes où à 6 cylindres peuvent être en ligne, où jusqu'à 24 cylindres en dispositions variées, en V, W, H

Les moteurs en étoiles où un maximum de 9 cylindres forment l'étoile. Un nombre plus élevé de cylindres peut-être accouplé au moteur en doublant ou en quadruplant l'étoile.

Sur le moteur à carburant le mélange combustible s'opère en dehors de la chambre de combustion. Le carburateur a donc pour mission de faire avec l'air et l'essence un mélange combustible prêt à la combustion.

Le moteur à injection reçoit de l'essence d'une pompe à injection et l'envoie à l'intérieur de la chambre de combustion.

Malgrés ces efforts et les moyens illimités mis à disposition des constructeurs, ni le cap des 1000 kilomètres heure ni celui des 20 000 mètres d'altitude n'est atteint durant la guerre. Alors que les bombardiers croisent à quelques 500 kilomètres à l'heure, les chasseurs atteignent péniblement les 800 kilomètres heure et les altitudes de 15'000 à 18 000 mètres paraissent constituer une limite absolue. L'évolution de l'aviation se heurte à son premier obstacle important : les limites d'utilisation de l'hélice.

Malgrés des prodiges d'ingéniosité, les constructeurs d'hélices abandonnent la partie. Ne pouvant augmenter indéfiniment leur diamètre et le nombre des pales, il essayent en désespoir de cause, de placer sur le même axe deux hélices contra-rotatives, mais au delà de 800 à 900 kilomètres à l'heure, des phénomènes aérodynamiques dus à la compressibilité de l'ai pertubent le bon fonctionnement de l'hélice qui en quelques sorte "bat l'air" au lieu d'accélérer. D'autre part, à heute altitude, en raison de la raréfaction de l'air, l'hélice tend à s'emballer dès que la puissance qu'on lui fait absorber dépasse une certaine limite. Ce phénomène est bien connu des ménagères dont l'aspirateur s'emballe par manque d'air à chaque fois que le tuyau d'aspiration est obturé par un tapis ou un rideau. Il faut dire aussi que les performances des moteurs à pistons sont considérablement diminuées à haute altitude. Ainsi, après un demi-siècle de fidèles services, l'hélice termine sa carrière. Ne pouvant donner ce qu'on lui demande, elle est abandonnée, méprisée et presque oubliée. Seuls les pilotes sportifs lui sont restés fidèles, mais pour combien de temps encore ?

Les réacteurs

Le réacteur prend la relève. Qu'il soit du type à turbine (turbo-réacteur) ou sans turbine (stato-réacteur) ou à fusée, sa caractéristique essentielle est son énorme poussée par rapport à son poids et ses faibles dimensions. C'est alors l'enthousiasme, 'allégresse dans les milieux aéronautiques car doté d'une puissance pratiquement illimitée, l'avion doit atteindre des vitesses énormes. Une fois passées les maladies d'enfance, le reacteur permet à l'avion, agé de 50 ans à peine, de franchir le cap des 1000 kilomètres heures et celui des 20 000 mètres d'altitude. Cependant les progrès sont faibles, de 1050, on passe à 1075 puis 1100 kilomètres à l'heure. Plusieurs pilotes d'essais perdent la vie lors de la dislocation de leur appareil en vol.

Les turbo-réacteurs

Utilisés pour des vitesses de Mach 0,8, jusqu'à 1,5 environ. Le dépassement de la vitesse du son exige généralement une installation de post-combustion. Elle est d'autant plus nécessaire pour dépasser la vitesse du son que l'altitude de vol est basse.

Les stato-turbo-réacteurs :

constituent un développement plus poussé des turbo-réacteurs et mieux adapté aux Mach élevés. Leur construction diffère des turbo-réacteur en ce sens qu'ils possèdent une prise d'air avec diffuseurs supersoniques. Cette installation permet une pré-compression notable de l'air avant l'arrivée du compresseur. Celui-ci peut être de construction plus restreinte. Le stato-turbo-réacteur représente une solution intermédiaire entre le turbo-réacteur classique et un stato-réacteur. Ce moteur a l'avantage d'être bien adapté au vol à des Mach compris entre 1,3 et 3, sans installation auxiliaire spéciale pour assurer son décollage. Les stato-turbo-réacteurs sont généralement tous équipés de la post-combustion.

Prise d'air avec diffuseur supersonique

Les stato-réacteurs :

sont des turbo-réacteurs sans compresseur ni turbines. La construction simplifiée le fait paraître un prédécesseur du turbo-réacteur, mais il est plutôt appelé, par son développement, à lui succéder. La turbine n'a pas d'autres missions que d'entraîner le compresseur et ce dernier de fournir au décollage et aux petites vitesses, des masses d'air suffisantes à l'alimentation des chambres de combustions. La grande simplicité et le faible poids caractérisent le stato-réacteur. Il ne possède aucune parties mobiles et augmente son coéficient d'efficacité aux vitesses élevées où les machines soufflantes n'ont qu'un faible rendement. Une vitesse minimale de 0,8 Mach est nécessaire à son fonctionnement. En dessous, la propulsion peut s'effectuer par catapulte, fusée de décollage ou avion mère.Son rendement le plus élevé se rencontre en vol supersonique où il permet d'obtenir des vitesses de 2000, 3000 km/h et plus.

L'injection de carburant et l'inflammation du mélange sont coordonnées avec la plus haute compression. L'expansion des gaz engendre la poussée : le procédé est semblable à celui du turbo-réacteur

Les moteurs fusées :

conviennent pratiquement à toutes les vitesses et gardent leur efficacité même là ou les autres propulseurs la perdent, ce qui est particulièrement mis en évidence dans le vol à très haute altitude, car tous les propulseurs nécessitant de l'air atmosphérique deviennent insuffisants. Aux altitudes moyennes, les moteurs-fusées sont souvent utilisé comme propulseurs auxiliaires, par exemple pour augmenter momentanément la vitesse d'un avion équipé de turbo-réacteur ou pour lancer un stato-réacteur.

Fusée SEPR enclenchée, en plein accélération la flamme mesure 6 mètres de long et atteint 2 800 degrés

Les moteurs à fortes poussées, ont aussi pour fonction d'accélèrer les diférents étages d'une fusée. Ce sont soit les moteurs à ergols liquides, soit les moteurs à propergols solide.

Les moteurs à faible poussée, ont pour fonction d'orienter les différents étages d'une fusée ou d'affiner les opérations de mise à poste des satellites.

Les avions à haute performances sont classés selon les vitesses réalisées, en trois catégories :

-avion subsoniques

-avion transsoniques

-avions supersoniques

La caractéristique des avions subsoniques est leur limite naturelle de vitesse se situant aux environs de M =0,8. Cette limite supérieur est due à l'accroissement de la traînée provoquée par les effets de compressibilité, qui est telle qu'une augmentation de vitesse de l'avion n'est plus possible, même avec un réacteur plus puissant et une maitrise parfaite de l'appareil.

Des formes aérodynamiques nettement affinées permettent aux avions transsoniques d'obtenir des vitesses égales à M = 1,1-1,2. La capacité ascentionnelle et la maniabilité de ces avions diminuent pourtant fortement pour des M légèrement supersoniques, car le faible excédent de poussée ne leur permet plus d'évoluer librement.

Grâce à leurs propriétés aérodynamiques, les avions supersoniques passent la barrière sonique sans augmentation sensible de la traînée. La vitesse maximale n'est plus déterminée principalement par la qualité des formes, mais bien davantage par la puissance du réacteur. Comme l'excédent de puissance se maintient constant plus longtemps aux vitesse supersoniques que transsoniques, il en résulte que l'avion supersonique gardera une maniabilité et une capacité ascensionnelle encore suffisante. Pour permettre d'atteindre les vitesses les plus élevées possibles, on a développé de nouveaux propulseurs : les stato-réacteurs et les turbo-statoréacteurs, qui ont une caractéristique de poussée plus favorable en fonction de M que les turbo-réacteurs conventionnels. Un effet annalogue peut aussi être atteint par l'addition de la post-combustion sur les turbo-réacteurs, ou par l'emploi de moteur-fusées.

Le mur du son

On appelle nombre de Mach le facteur par lequel il faut multiplier la vitesse du son pour obtenir la vitesse d'un avion, ceci en souvenir du physicien autrichien Mach. La lutte pour vaincre le mur du son est acharnée, angoissante et incertaine mais pas sans espoir puisque de nombreux projectiles, comme les obus, fusées et balles de fusil l'avaient déjà percé.

A l'avant : première onde de choc, a l'arête postérieure : deuxième onde de choc résultant d'une variation continue de la pression de culot, dans le sillage : tourbillons, d'où interruption de l'onde de choc.

Signification et importance de la vitesse du son : La vitesse de la propagation du son dans l'air représente pour l'avion une limite critique. En effet, les propriétés physiques de l'écoulement se modifient lorsqu'on approche de la vistesse du son. Si aux petites vitesses, l'air se comporte comme un liquide (on l'admet incompressible) au fur et à mesure que la vitesse de l'écoulement se raproche de celle du son, les effets de la compressibilité de l'air se font sentir.

Relation entre le son et la pression :

Les ondes soniques sont des ondes de faibles intensité qui se propagent dans un milieu fluide à une vitesse déterminée, dite vitesse de propagation du son. Si, au sein d'un fluide à l'état de repos, une perturbation a lieu, par exemple sous la forme d'un bruit parfaitement audible celui-ci se propage à partir de la source parasite, dans toutes les directions, sous forme d'ondes concentriques.

Ce cône est appelé cône de Mach, il devient d'autant plus aïgu que la vitesse de l'écoulement augmente

Ondes de choc rendues visible par la méthode Schlieren

 à gauche très voisine de la vitesse du son, à droite à la vitesse supersonique

Les schémas ci-dessus traitent d'un cas où la source de pertubation est fixe et le fluide en mouvement. Par analogie on peut dire que les relations restent identiques si le fluide est au repos et que la source de perturbation se déplace. Ces considérations se rapportent à une source parasite unique de faible intensité, problème facile à résoudre. Mais par contre, si on considère l'avion comme une source de perturbations, les problèmes deviennent rapidement complexes, car chaque partie de l'avion (partie sur laquelle la vitesse de l'écoulement local est différente) est elle-même une source d'ondes parasites.

En relation avec la propagation de l'onde de choc, il faut mentionner le phénomène du "coup de canon", entendu par un observateur, lorsqu'un avion volant dans sa direction traverse le mur du son. Ce phénomène se produit chaque fois que l'avion perce le mur du son, mais il n'est perçu par l'oreille que lorsque celle-ci se trouve dans la direction de propagation de l'onde de choc.

L'accumulation des ondes de pression engendre des nappes de chocs perçues sous la forme d'explosion. En effet, l'avion atteignant la vitesse du son engendre une onde de choc sphérique se déplaçant elle aussi à la vitesse du son. En supersonique, l'onde de choc à la forme d'un cône qui s'évase vers l'arrière en forme de pavillon et dont la pointe A est le nez de l'avion. Plus la vitesse supersonique sera grande, plus la pointe A du pavillon se trouvera avancée et de ce fait le pavillon s'étirera en longueur. Lorsque la vitesse de l'avion redevient subsonique, les ondes de choc poursuivent leur propagation et sont audibles, dans ce cas deux fois : d'abord l'onde de choc du pavillon et ensuite l'onde spérique arrière.

Dans certain cas particuliers, il est en outre aussi possible d'entendre un à trois ou même d'avantage de bang.

La vitesse de propagation du son n'est pas constante; elle dépend de la température de l'air. La vitesse du son augment en fonction d'une élévation de la température; elle diminuera donc avec l'altitude. La densité de l'air diminuant également avec l'altitude, la pression dynamique, et conséquemment les charges aérodynamiques s'exerçant sur l'avion lors du passage de la vitesse du son, seront plus réduites lorsque l'avion vole à haute altitude que s'il volee près du sol. C'est pour cette raison qu'on effectue de préférence le passage du mur du son en altitude.

L'accroissement des vitesses de vol des avions a donné naissance à une nouvelle mesure de la vitesse : le nombre de Mach, qui exprime le rapport entre la vitesse relative de l'avion et la vitesse du son. Mach 1 signifie donc : vitesse de l'avion = vitesse du son. Mais comme la température varie avec l'altitude, la vitesse du son variera aussi. Par exemple au niveau du sol elle sera de 1 257 km/h. pour + 30 degrés centigrades, 1 193 km/h. pour 0 degrés C et 1054 Km/h. pour -60 degrés C. Une vitesse de 1 000 km. au niveau de la mer correspond à M=0,816. A une altitude de 10 km, la même vitesse correspond à M=0,927, par suite de la baisse de température, qui diminue en conséquence la vitesse du son. Lors de vols à grande vitesse, les pilotes préfèrent l'indication de vitesse en nombre de Mach, à une lecture en km/h, car ce chiffre permet un contrôle rapide du rapport entre la vitesse de l'avion et la vitesse du son.

Un écoulement supersonique nécessite un volume plus grand qu'un écoulement subsonique. Ceci est démontré par l'exemple suivant :

Si on augmente progressivement la vitesse d'écoulement dans un tube, on remarquera qu'il et impossible de dépasser la vitesse du son dans la section la plus étroite, même en employant une énergie très grande. On y parviendra seulement, après un col, dans lequel la vitesse du son est atteinte, on accroît la section de passage. Ces tubes, construits avec un col, sont appelés "tuyères de Laval".

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Tuyère de Laval

Dans ce cas aussi, l'écoulement se comporte différement s'il est subsonique ou supersonique. En écoulement subsonique, la diminution de la masse spécifique de l'air est plus faible que l'accroissement de la vitesse, alors qu'en vitesse supersonique c'est le contraire. La même quantité d'air nécessite donc un plus grand volume, d'où l'accroissement de la section d'une tuyère après un col pour rendre possible les vitesses supersoniques.

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C'est sur un Hunter qu le mur du son a été franchit pour la première fois en Suisse

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