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Transonique

Preuves de condensation aérodynamique des ventilateurs d'expansion supersonique autour d'un F/A-18 transsonique La carrosserie Sears-Haack présente une variation de section tran...

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L'écoulement transsonique (ou transsonique ) est l'air qui circule autour d'un objet à une vitesse qui génère des régions d'écoulement d'air subsonique et supersonique autour de cet objet. La plage exacte de vitesses dépend du nombre de Mach critique de l'objet , mais l'écoulement transsonique est observé à des vitesses de vol proches de la vitesse du son (343 m/s au niveau de la mer), généralement entre Mach 0,8 et 1,2.

La question de la vitesse transsonique (ou de la région transsonique) est apparue pour la première fois pendant la Seconde Guerre mondiale. Les pilotes ont constaté qu'à l'approche du mur du son, le flux d'air rendait l'avion instable. Les experts ont découvert que les ondes de choc peuvent provoquer une séparation à grande échelle en aval, augmentant la traînée, ajoutant une asymétrie et une instabilité à l'écoulement autour du véhicule. Des recherches ont été menées sur l'affaiblissement des ondes de choc en vol transsonique grâce à l'utilisation de corps antichocs et de profils aérodynamiques supercritiques .

La plupart des avions à réaction modernes sont conçus pour fonctionner à des vitesses aériennes transsoniques. Les vitesses aériennes transsoniques voient une augmentation rapide de la traînée à partir d'environ Mach 0,8, et ce sont les coûts en carburant de la traînée qui limitent généralement la vitesse aérienne. Des tentatives de réduction de la traînée des vagues peuvent être observées sur tous les avions à grande vitesse. La plus notable est l'utilisation d' ailes en flèche , mais une autre forme courante est un fuselage en taille de guêpe comme effet secondaire de la règle de la zone de Whitcomb .

Des vitesses transsoniques peuvent également se produire aux extrémités des pales de rotor des hélicoptères et des avions. Cela exerce des contraintes importantes et inégales sur la pale du rotor et peut entraîner des accidents si cela se produit. C'est l'un des facteurs limitant la taille des rotors et les vitesses d'avancement des hélicoptères (car cette vitesse s'ajoute au côté avant du rotor, ce qui peut provoquer des vitesses transsoniques localisées).

Les problèmes de vol liés à la vitesse sont apparus pour la première fois à l' ère supersonique en 1941. Ralph Virden, un pilote d'essai, s'est écrasé dans un accident d'avion mortel. Il a perdu le contrôle de l'avion lorsqu'une onde de choc provoquée par un flux d'air supersonique s'est développée sur l'aile, provoquant son décrochage. Virden a volé bien en dessous de la vitesse du son à Mach 0,675, ce qui a fait naître l'idée de différents flux d'air se formant autour de l'avion. Dans les années 40, Kelly Johnson est devenu l'un des premiers ingénieurs à étudier l'effet de la compressibilité sur les avions. Cependant, les souffleries contemporaines n'avaient pas la capacité de créer des vitesses de vent proches de Mach 1 pour tester les effets des vitesses transsoniques. Peu de temps après, le terme « transsonique » a été défini comme signifiant « à travers la vitesse du son » et a été inventé par le directeur de la NACA Hugh Dryden et Theodore von Kármán du California Institute of Technology.

Au départ, la NACA a conçu des « volets de plongée » pour aider à stabiliser l'avion lors du vol transsonique. Ce petit volet situé sous l'avion ralentissait l'avion pour éviter les ondes de choc, mais cette conception n'a fait que retarder la recherche d'une solution pour les avions volant à vitesse supersonique. De nouvelles souffleries ont été conçues pour que les chercheurs puissent tester de nouvelles conceptions d'ailes sans risquer la vie des pilotes d'essai. Le tunnel transsonique à parois fendues a été conçu par la NASA et a permis aux chercheurs de tester des ailes et différents profils aérodynamiques dans un flux d'air transsonique pour trouver la meilleure forme d'extrémité d'aile pour les vitesses soniques.

Après la Seconde Guerre mondiale , des changements majeurs dans la conception des avions ont été observés pour améliorer le vol transsonique. Le principal moyen de stabiliser un avion était de réduire la vitesse du flux d'air autour des ailes en modifiant la corde des ailes de l'avion, et une solution pour éviter les ondes transsoniques était les ailes en flèche. Étant donné que le flux d'air frapperait les ailes à un angle, cela diminuerait l'épaisseur de l'aile et le rapport de corde. Les formes des ailes des profils aérodynamiques ont été conçues plus plates au sommet pour éviter les ondes de choc et réduire la distance du flux d'air au-dessus de l'aile. Plus tard, Richard Whitcomb a conçu le premier profil aérodynamique supercritique en utilisant des principes similaires.

Avant l'avènement des ordinateurs puissants, même les formes les plus simples des équations d'écoulement compressible étaient difficiles à résoudre en raison de leur non-linéarité . Une hypothèse courante utilisée pour contourner cette non-linéarité est que les perturbations au sein de l'écoulement sont relativement faibles, ce qui permet aux mathématiciens et aux ingénieurs de linéariser les équations d'écoulement compressible en un ensemble d' équations différentielles relativement faciles à résoudre pour les écoulements entièrement subsoniques ou supersoniques. Cette hypothèse est fondamentalement fausse pour les écoulements transsoniques car la perturbation causée par un objet est beaucoup plus importante que dans les écoulements subsoniques ou supersoniques ; une vitesse d'écoulement proche ou égale à Mach 1 ne permet pas aux tubes de courant (trajets d'écoulement 3D) de se contracter suffisamment autour de l'objet pour minimiser la perturbation, et donc la perturbation se propage. Les aérodynamiciens ont rencontré des difficultés lors des premières études sur l’écoulement transsonique car la théorie alors en vigueur impliquait que ces perturbations – et donc la traînée – approchaient l’infini lorsque le nombre de Mach local approchait de 1, un résultat manifestement irréaliste qui ne pouvait pas être corrigé à l’aide des méthodes connues.

L'une des premières méthodes utilisées pour contourner la non-linéarité des modèles d'écoulement transsonique était la transformation hodographe . Ce concept a été exploré à l'origine en 1923 par un mathématicien italien nommé Francesco Tricomi , qui a utilisé la transformation pour simplifier les équations d'écoulement compressible et prouver qu'elles étaient résolubles. La transformation hodographe elle-même a également été explorée par les manuels de Ludwig Prandtl et d'OG Tietjen en 1929 et par Adolf Busemann en 1937, bien qu'aucun des deux n'ait appliqué cette méthode spécifiquement à l'écoulement transsonique.

Gottfried Guderley, mathématicien et ingénieur allemand à Brunswick , a découvert le travail de Tricomi en appliquant la méthode de l'hodographe à l'écoulement transsonique vers la fin de la Seconde Guerre mondiale. Il s'est concentré sur les équations d'écoulement compressible non linéaires à profil mince, les mêmes que celles dérivées par Tricomi, bien que son objectif d'utiliser ces équations pour résoudre l'écoulement sur un profil aérodynamique ait présenté des défis uniques. Guderley et Hideo Yoshihara, avec quelques apports de Busemann, ont ensuite utilisé une solution singulière des équations de Tricomi pour résoudre analytiquement le comportement de l'écoulement transsonique sur un profil aérodynamique à double coin , le premier à le faire avec seulement les hypothèses de la théorie des profils aérodynamiques minces.

Bien que couronné de succès, le travail de Guderley était toujours axé sur la théorie et n'a abouti qu'à une seule solution pour un profil à double coin à Mach 1. Walter Vincenti , un ingénieur américain du laboratoire Ames , avait pour objectif de compléter le travail de Guderley sur Mach 1 avec des solutions numériques qui couvriraient la plage de vitesses transsoniques entre Mach 1 et un écoulement entièrement supersonique. Vincenti et ses assistants se sont inspirés des travaux de Howard Emmons ainsi que des équations originales de Tricomi pour compléter un ensemble de quatre solutions numériques pour la traînée sur un profil à double coin dans un écoulement transsonique au-dessus de Mach 1. L'écart entre l'écoulement subsonique et l'écoulement Mach 1 a été plus tard couvert par Julian Cole et Leon Trilling , complétant le comportement transsonique du profil au début des années 1950.

À des vitesses transsoniques, les ventilateurs d'expansion supersonique forment des zones de basse pression et de basse température intenses à divers points autour d'un avion. Si la température descend en dessous du point de rosée, un nuage visible se forme. Ces nuages ​​restent avec l'avion pendant son déplacement. Il n'est pas nécessaire que l'avion dans son ensemble atteigne des vitesses supersoniques pour que ces nuages ​​se forment. En général, la queue de l'avion atteint le vol supersonique alors que le nez de l'avion est toujours en vol subsonique. Une bulle de ventilateurs d'expansion supersonique se terminant par une onde de choc de sillage entoure la queue. Au fur et à mesure que l'avion continue d'accélérer, les ventilateurs d'expansion supersonique s'intensifient et l'onde de choc de sillage augmente jusqu'à atteindre l'infini, moment auquel l'onde de choc d'étrave se forme. Il s'agit de Mach 1 et de la singularité de Prandtl-Glauert .

En astrophysique, partout où il existe des preuves de chocs (stationnaires, propagés ou oscillants), l'écoulement à proximité doit être transsonique, car seuls les écoulements supersoniques forment des chocs. Toutes les accrétions de trous noirs sont transsoniques. De nombreux écoulements de ce type ont également des chocs très proches des trous noirs.

Les écoulements ou jets provenant de jeunes objets stellaires ou de disques autour des trous noirs peuvent également être transsoniques, car ils démarrent de manière subsonique et, à une distance éloignée, ils sont invariablement supersoniques. Les explosions de supernovae sont accompagnées d'écoulements et d'ondes de choc supersoniques. Les ondes de choc formées par les vents solaires sont le résultat direct des vents transsoniques d'une étoile. On a longtemps pensé qu'une onde de choc était présente autour de l'héliosphère de notre système solaire, mais ce n'était pas le cas selon les données IBEX publiées en 2012.