Détonation supersonique - Sonic boom

La source sonore se déplace à 1,4 fois la vitesse du son (Mach 1,4). Étant donné que la source se déplace plus rapidement que les ondes sonores qu'elle crée, elle mène le front d'onde qui avance.
Un bang sonique produit par un avion se déplaçant à M=2,92, calculé à partir de l'angle du cône de 20 degrés. Les observateurs n'entendent rien jusqu'à ce que l'onde de choc, sur les bords du cône, traverse leur emplacement.
Angle de cône de Mach
Données de la NASA montrant la signature de l'onde N.
Onde de choc conique avec sa zone de contact au sol en forme d'hyperbole en jaune

Un bang sonique est un son associé à des ondes de choc créées lorsqu'un objet se déplace dans l'air à une vitesse supérieure à la vitesse du son . Les bangs soniques génèrent d'énormes quantités d' énergie sonore , ressemblant à une explosion ou à un coup de tonnerre à l'oreille humaine. Le craquement d'une balle supersonique passant au-dessus de la tête ou le craquement d'un fouet sont des exemples de bang sonique en miniature.

Les bangs soniques dus aux gros avions supersoniques peuvent être particulièrement bruyants et surprenants, ont tendance à réveiller les gens et peuvent causer des dommages mineurs à certaines structures. Ils ont conduit à l'interdiction des vols supersoniques de routine au-dessus des terres. Bien qu'ils ne puissent pas être complètement évités, les recherches suggèrent qu'avec une mise en forme soignée du véhicule, la nuisance due aux bangs soniques peut être réduite au point que le vol supersonique terrestre peut devenir une option réalisable.

Un bang sonique ne se produit pas seulement au moment où un objet franchit la vitesse du son ; et il n'est pas non plus entendu dans toutes les directions émanant de l'objet supersonique. Le boom est plutôt un effet continu qui se produit pendant que l'objet se déplace à des vitesses supersoniques. Mais cela n'affecte que les observateurs qui sont positionnés à un point qui coupe une région en forme de cône géométrique derrière l'objet. Au fur et à mesure que l'objet se déplace, cette région conique se déplace également derrière elle et lorsque le cône passe au-dessus de l'observateur, il subit brièvement le boom .

Causes

Lorsqu'un avion passe dans les airs, il crée une série d' ondes de pression devant et derrière l'avion, similaires aux vagues de proue et de poupe créées par un bateau. Ces ondes se déplacent à la vitesse du son et, à mesure que la vitesse de l'objet augmente, les ondes sont regroupées ou comprimées, car elles ne peuvent pas s'écarter assez rapidement. Finalement, ils fusionnent en une seule onde de choc, qui se déplace à la vitesse du son, une vitesse critique connue sous le nom de Mach 1 , et est d'environ 1 235 km/h (767 mph) au niveau de la mer et à 20 °C (68 °F).

En vol fluide, l'onde de choc commence au nez de l'avion et se termine à la queue. Parce que les différentes directions radiales autour de la direction de déplacement de l'avion sont équivalentes (étant donné la condition de « vol en douceur »), l'onde de choc forme un cône de Mach , semblable à un cône de vapeur , avec l'avion à son extrémité. Le demi-angle entre la direction du vol et l'onde de choc est donné par :

,

où est l'inverse du nombre de Mach de l'avion ( ). Ainsi, plus l'avion va vite, plus le cône est fin et pointu.

Il y a une augmentation de la pression au niveau du nez, diminuant progressivement jusqu'à une pression négative à la queue, suivie d'un retour soudain à la pression normale après le passage de l'objet. Ce « profil de surpression » est connu sous le nom d'onde N en raison de sa forme. Le « boum » est ressenti lorsqu'il y a un changement soudain de pression ; par conséquent, une onde N provoque deux booms - un lorsque l'augmentation de pression initiale atteint un observateur, et un autre lorsque la pression revient à la normale. Cela conduit à un "double boom" distinctif d'un avion supersonique. Lorsque l'avion est en manœuvre, la répartition de la pression change sous différentes formes, avec une forme d'onde U caractéristique.

Étant donné que le boom est généré en continu tant que l'avion est supersonique, il remplit un chemin étroit au sol suivant la trajectoire de vol de l'avion, un peu comme un tapis rouge qui se déroule , et donc connu sous le nom de tapis de boom . Sa largeur dépend de l'altitude de l'avion. La distance entre le point au sol où le boom est entendu et l'avion dépend de son altitude et de l'angle .

Pour les avions supersoniques d'aujourd'hui dans des conditions de fonctionnement normales, la surpression maximale varie de moins de 50 à 500 Pa (1 à 10 psf (livre par pied carré)) pour un barrage à ondes N. Les surpressions de pointe pour les ondes U sont amplifiées de deux à cinq fois l'onde N, mais cette surpression amplifiée n'affecte qu'une très petite zone par rapport à la zone exposée au reste du bang sonique. Le bang sonique le plus puissant jamais enregistré était de 7 000 Pa (144 psf) et il n'a pas causé de blessures aux chercheurs qui y ont été exposés. Le boom a été produit par un F-4 volant juste au-dessus de la vitesse du son à une altitude de 100 pieds (30 m). Lors de tests récents, la flèche maximale mesurée dans des conditions de vol plus réalistes était de 1 010 Pa (21 psf). Il est probable que certains dommages - du verre brisé, par exemple - résultent d'un bang sonique. Les bâtiments en bon état ne devraient subir aucun dommage par des pressions de 530 Pa (11 psf) ou moins. Et, généralement, l'exposition de la communauté au bang sonique est inférieure à 100 Pa (2 psf). Le mouvement du sol résultant du bang sonique est rare et est bien inférieur aux seuils de dommages structurels acceptés par le Bureau of Mines des États-Unis et d'autres agences.

La puissance, ou le volume, de l'onde de choc dépend de la quantité d'air qui est accélérée, et donc de la taille et de la forme de l'avion. Au fur et à mesure que l'avion augmente sa vitesse, le cône de choc se resserre autour de l'engin et s'affaiblit au point qu'à des vitesses et des altitudes très élevées, aucun boom n'est entendu. La "longueur" de la bôme d'avant en arrière dépend de la longueur de l'avion à une puissance de 3/2. Les avions plus longs « étalent » donc davantage leurs flèches que les plus petits, ce qui conduit à une flèche moins puissante.

Plusieurs ondes de choc plus petites peuvent se former et se forment généralement à d'autres points de l'avion, principalement à tous les points convexes ou courbes, le bord d'attaque de l'aile et en particulier l'entrée des moteurs. Ces ondes de choc secondaires sont causées par le fait que l'air est forcé de tourner autour de ces points convexes, ce qui génère une onde de choc dans un écoulement supersonique .

Les dernières ondes de choc sont un peu plus rapides que la première, se déplacent plus rapidement et s'ajoutent à l'onde de choc principale à une certaine distance de l'avion pour créer une forme d'onde N beaucoup plus définie. Cela maximise à la fois l'amplitude et le "temps de montée" du choc, ce qui donne l'impression que le boom est plus fort. Sur la plupart des conceptions d'avions, la distance caractéristique est d'environ 40 000 pieds (12 000 m), ce qui signifie qu'en dessous de cette altitude, le bang sonique sera « plus doux ». Cependant, la traînée à cette altitude ou en dessous rend les voyages supersoniques particulièrement inefficaces, ce qui pose un sérieux problème.

Mesure et exemples

La pression des bangs soniques causés par les avions est souvent de quelques livres par pied carré. Un véhicule volant à plus grande altitude générera des pressions au sol plus faibles, car l'onde de choc diminue en intensité à mesure qu'elle s'éloigne du véhicule, mais les bangs soniques sont moins affectés par la vitesse du véhicule.

Avion La vitesse Altitude Pression (lbf/pi 2 ) Pression (Pa)
SR-71 Merle Mach 3+ 80 000 pieds (24 000 m) 0,9 43
Concorde (SST) 2 mars 52 000 pieds (16 000 m) 1,94 93
Chasseur F-104 Mach 1,93 48 000 pieds (15 000 m) 0,8 38
Navette spatiale Mach 1,5 60 000 pieds (18 000 m) 1,25 60
Réf :

Réduction

De nouvelles recherches sont en cours au Glenn Research Center de la NASA qui pourraient aider à atténuer le bang sonique produit par les avions supersoniques. Les tests ont été achevés en 2010 sur un modèle d'admission supersonique à grande échelle et à faible flèche avec contrôle de débit par microréseau. Un ingénieur aérospatial de la NASA est photographié ici dans une soufflerie avec le modèle d'entrée supersonique à grande échelle et à faible flèche.

À la fin des années 1950, lorsque les conceptions de transport supersonique (SST) étaient activement recherchées, on pensait que même si le boom serait très grand, les problèmes pourraient être évités en volant plus haut. Cette hypothèse s'est avérée fausse lors du premier vol du XB-70 Valkyrie nord-américain , et il a été constaté que la flèche était un problème même à 70 000 pieds (21 000 m). C'est lors de ces tests que l'onde N a été caractérisée pour la première fois.

Richard Seebass et son collègue Albert George de l'Université Cornell ont étudié le problème de manière approfondie et ont finalement défini une « figure de mérite » (FM) pour caractériser les niveaux de bang sonique de différents avions. La FM est fonction de la masse et de la longueur de l'avion. Plus cette valeur est basse, moins l'avion génère de boom, des chiffres d'environ 1 ou moins étant considérés comme acceptables. En utilisant ce calcul, ils ont trouvé des FM d'environ 1,4 pour le Concorde et 1,9 pour le Boeing 2707 . Cela a finalement condamné la plupart des projets SST car le ressentiment du public, mêlé à la politique, a finalement abouti à des lois qui ont rendu un tel avion moins utile (voler de manière supersonique uniquement au-dessus de l'eau par exemple). Les conceptions de petits avions comme les jets d'affaires sont privilégiées et ont tendance à produire des bangs minimes ou inaudibles.

Seebass et George ont également travaillé sur le problème sous un angle différent, en essayant d'étendre l'onde N latéralement et temporellement (longitudinalement), en produisant un choc fort et focalisé vers le bas ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) à un cône de nez pointu, mais grand angle, qui se déplacera à une vitesse légèrement supersonique ( choc d'arc ), et en utilisant une aile volante en flèche ou une aile volante oblique pour lisser ce choc le long de la direction du vol (la queue du choc se déplace à vitesse sonique). Pour adapter ce principe aux avions existants, qui génèrent un choc au niveau de leur pointe avant et un choc encore plus fort au niveau du bord d'attaque de leur aile, le fuselage sous l'aile est conformé selon la règle de surface . Idéalement, cela augmenterait l'altitude caractéristique de 40 000 pieds (12 000 m) à 60 000 pieds (de 12 000 m à 18 000 m), là où la plupart des avions SST devaient voler.

NASA F-5E modifié pour les tests de bang sonique DARPA

Cela n'a pas été testé pendant des décennies, jusqu'à ce que la DARPA lance le projet Quiet Supersonic Platform et finance l' avion Shaped Sonic Boom Demonstration (SSBD) pour le tester. Le SSBD a utilisé un F-5 Freedom Fighter . Le F-5E a été modifié avec une forme très raffinée qui a allongé le nez à celui du modèle F-5F. Le carénage s'étendait du nez jusqu'aux entrées situées sous l'avion. Le SSBD a été testé sur une période de deux ans culminant en 21 vols et était une étude approfondie sur les caractéristiques du bang sonique. Après avoir mesuré les 1 300 enregistrements, certains pris à l'intérieur de l'onde de choc par un avion de chasse , le SSBD a démontré une réduction du boom d'environ un tiers. Bien qu'un tiers ne soit pas une réduction énorme, cela aurait pu réduire le boom du Concorde à un niveau acceptable en dessous de FM = 1.

Dans le prolongement du SSBD, en 2006, une équipe de la NASA - Gulfstream Aerospace a testé le Quiet Spike sur l'avion F-15B 836 de la NASA-Dryden. Le Quiet Spike est une flèche télescopique montée sur le nez d'un avion spécialement conçu pour affaiblir la résistance des ondes de choc se formant sur le nez de l'avion à des vitesses supersoniques. Plus de 50 vols d'essai ont été effectués. Plusieurs vols comprenaient le sondage des ondes de choc par un deuxième F-15B, le banc d'essai du système de contrôle de vol intelligent de la NASA , l'avion 837.

Il existe des conceptions théoriques qui ne semblent pas du tout créer de bangs soniques, comme le biplan Busemann . Cependant, la création d'une onde de choc est inévitable si elles génèrent une portance aérodynamique.

La NASA et Lockheed Martin Aeronautics Co. travaillent ensemble pour construire un avion expérimental appelé Low Boom Flight Demonstrator (LBFD), qui réduira le bang sonique synonyme de vol à grande vitesse au son d'une porte de voiture qui se ferme. L'agence a attribué un contrat de 247,5 millions de dollars pour construire une version fonctionnelle de l'avion monopilote élégant d'ici l'été 2021 et devrait commencer les tests au cours des années suivantes pour déterminer si la conception pourrait éventuellement être adaptée aux avions commerciaux.

Perception, bruit et autres préoccupations

Une source ponctuelle émettant des fronts sphériques tout en augmentant sa vitesse linéairement avec le temps. Pendant de courtes périodes, l' effet Doppler est visible. Lorsque v  =  c , le bang sonique est visible. Lorsque v  >  c , le cône de Mach est visible.

Le son d'un bang sonique dépend en grande partie de la distance entre l'observateur et la forme de l'avion produisant le bang sonique. Un bang sonique est généralement entendu comme un double "boom" profond car l'avion est généralement à une certaine distance. Le son ressemble beaucoup à celui des obus de mortier , couramment utilisés dans les feux d'artifice . C'est une idée fausse commune qu'un seul boom est généré pendant la transition subsonique à supersonique; au lieu de cela, le boom est continu le long du tapis de boom pendant tout le vol supersonique. Comme le dit un ancien pilote de Concorde : « En fait, vous n'entendez rien à bord. Tout ce que nous voyons, c'est l'onde de pression qui descend de l'avion - cela donne une indication sur les instruments. Et c'est ce que nous voyons autour de Mach 1. Mais nous n'entendez pas le bang sonique ou quelque chose comme ça. C'est un peu comme le sillage d'un navire – c'est derrière nous. »

En 1964, la NASA et la Federal Aviation Administration ont commencé les tests de bang sonique d'Oklahoma City , qui ont provoqué huit bangs soniques par jour sur une période de six mois. Des données précieuses ont été recueillies à partir de l'expérience, mais 15 000 plaintes ont été générées et ont finalement entraîné le gouvernement dans un recours collectif, qu'il a perdu en appel en 1969.

Les bangs soniques étaient également une nuisance dans le nord des Cornouailles et le nord du Devon au Royaume-Uni, car ces zones se trouvaient sous la trajectoire de vol du Concorde. Les fenêtres trembleraient et, dans certains cas, le "torching" (pointant sous les ardoises du toit) serait délogé avec la vibration.

Des travaux récents ont été menés dans ce domaine, notamment dans le cadre des études de la plate-forme supersonique silencieuse de la DARPA. Les recherches menées par des experts en acoustique dans le cadre de ce programme ont commencé à examiner de plus près la composition des bangs soniques, y compris le contenu fréquentiel. Plusieurs caractéristiques de l'onde "N" traditionnelle du bang sonique peuvent influencer à quel point elle peut être perçue comme bruyante et irritante par les auditeurs au sol. Même de fortes ondes N telles que celles générées par les Concorde ou les avions militaires peuvent être beaucoup moins répréhensibles si le temps de montée de la surpression est suffisamment long. Une nouvelle métrique est apparue, connue sous le nom d' intensité sonore perçue , mesurée en PLdB. Cela prend en compte le contenu fréquentiel, le temps de montée, etc. Un exemple bien connu est le claquement de doigts dans lequel le son « perçu » n'est rien de plus qu'une gêne.

La gamme d'énergie du bang sonique est concentrée dans la gamme de fréquences de 0,1 à 100  hertz qui est considérablement inférieure à celle des avions subsoniques, des coups de feu et de la plupart des bruits industriels . La durée du bang sonique est brève; moins d'une seconde, 100 millisecondes (0,1 seconde) pour la plupart des avions de combat et 500 millisecondes pour la navette spatiale ou l'avion de ligne Concorde. L'intensité et la largeur d'une trajectoire de bang sonique dépendent des caractéristiques physiques de l'avion et de la façon dont il est exploité. En général, plus l'altitude d'un avion est élevée, plus la surpression au sol est faible. Une altitude plus élevée augmente également la propagation latérale de la rampe, exposant une zone plus large à la rampe. Cependant, les surpressions dans la zone d'impact de la flèche sonique ne seront pas uniformes. L'intensité de la flèche est maximale directement sous la trajectoire de vol, s'affaiblissant progressivement avec une plus grande distance horizontale par rapport à la trajectoire de vol de l'avion. La largeur au sol de la zone d'exposition de la rampe est d'environ 1,6 km (1 mille terrestre) pour chaque 300 m (1 000 pieds) d'altitude (la largeur est d'environ cinq fois l'altitude) ; c'est-à-dire qu'un avion supersonique volant à 30 000 pieds (9 100 m) créera une flèche latérale d'environ 30 miles (48 km). Pour un vol supersonique stable, la flèche est décrite comme une flèche en tapis car elle se déplace avec l'avion tout en maintenant une vitesse et une altitude supersoniques. Certaines manœuvres, plongée, accélération ou virage, peuvent provoquer une focalisation de la bôme. D'autres manœuvres, telles que la décélération et la montée, peuvent réduire la force du choc. Dans certains cas, les conditions météorologiques peuvent déformer les bangs soniques.

Selon l'altitude de l'avion, les bangs soniques atteignent le sol 2 à 60 secondes après le survol. Cependant, tous les booms ne sont pas entendus au niveau du sol. La vitesse du son à n'importe quelle altitude est fonction de la température de l'air. Une diminution ou une augmentation de la température entraîne une diminution ou une augmentation correspondante de la vitesse du son. Dans des conditions atmosphériques normales, la température de l'air diminue avec l'altitude. Par exemple, lorsque la température au niveau de la mer est de 59 degrés Fahrenheit (15 °C), la température à 30 000 pieds (9 100 m) tombe à moins 49 degrés Fahrenheit (−45 °C). Ce gradient de température aide à courber les ondes sonores vers le haut. Par conséquent, pour qu'un barrage atteigne le sol, la vitesse de l'avion par rapport au sol doit être supérieure à la vitesse du son au sol. Par exemple, la vitesse du son à 30 000 pieds (9 100 m) est d'environ 670 miles par heure (1 080 km/h), mais un avion doit parcourir au moins 750 miles par heure (1 210 km/h) (Mach 1,12) pour un boum pour se faire entendre au sol.

La composition de l'atmosphère est également un facteur. Les variations de température, l' humidité , la pollution atmosphérique et les vents peuvent tous avoir un effet sur la perception d'un bang sonique au sol. Même le sol lui-même peut influencer le son d'un bang sonique. Les surfaces dures telles que le béton , la chaussée et les grands bâtiments peuvent provoquer des réflexions susceptibles d'amplifier le son d'un bang sonique. De même, les champs herbeux et le feuillage abondant peuvent aider à atténuer la force de la surpression d'un bang sonique.

Actuellement, il n'y a pas de normes acceptées par l'industrie pour l'acceptabilité d'un bang sonique. Cependant, des travaux sont en cours pour créer des métriques qui aideront à comprendre comment les humains réagissent au bruit généré par les bangs soniques. Jusqu'à ce que de telles mesures puissent être établies, soit par une étude plus approfondie ou des tests de survol supersonique, il est peu probable qu'une législation soit promulguée pour supprimer l'interdiction actuelle du survol supersonique en place dans plusieurs pays, dont les États-Unis.

Fouet

Un coup de fouet australien

Le craquement qu'un coup de fouet fait lorsqu'il est correctement utilisé est, en fait, un petit bang sonique. L'extrémité du fouet, connue sous le nom de « cracker » , se déplace plus vite que la vitesse du son, créant ainsi un bang sonique.

Un coup de fouet se rétrécit de la section de la poignée au cracker. Le cracker a beaucoup moins de masse que la section du manche. Lorsque le fouet est fortement balancé, l'énergie est transférée sur toute la longueur du fouet effilé. Goriely et McMillen ont montré que l'explication physique est complexe, impliquant la façon dont une boucle se déplace le long d'un filament effilé sous tension.

Voir également

Les références

Liens externes