Échauffement aérodynamique

Pour les vitesses inférieures à 1 000 km/h, l’échauffement aérodynamique dû au frottement de l'air sur les ailes des aéronefs reste faible et ne pose la plupart du temps aucun problème sérieux[6]. Des essais sont néanmoins réalisés afin de s’assurer que les contraintes thermiques engendrées dans certaines conditions extrêmes (variation rapide de la température) sont bien supportées par la structure des avions ou des missiles[7].

Température de surface sur le Concorde à Mach 2

Au-delà de 1 000 km/h, l’échauffement aérodynamique doit être pris en compte dans la conception des aéronefs et des missiles supersoniques et hypersoniques. L’échauffement aérodynamique peut nécessiter l’utilisation d’alliages métalliques hautes températures, l’addition d’un revêtement isolant à l’extérieur de l’aéronef, ou l’utilisation d’un matériau offrant une protection de type ablative. En vitesse de croisière supersonique, sous l'effet de l’échauffement aérodynamique, la carlingue du Concorde s'allongeait par exemple de quelque 25 cm[6], son nez était porté à 127 °C et le bord d'attaque de ses ailes à quelque 100 °C[8]. Pour y faire face, les ingénieurs ont développé des alliages d'aluminium capables de supporter ces températures sans déformation excessive ni perte des qualités mécaniques. Les vols hypersoniques sont soumis à des contraintes thermiques encore plus grandes. L’échauffement aérodynamique impose à ce type de vol des limites qui peuvent être modélisées[9].

La navette spatiale Atlantis en phase de rentrée, vue de la Station spatiale internationale

Température de surface de la navette spatiale en phase de rentrée (mesure IR)

Lors de leur rentrée dans l’atmosphère terrestre, les véhicules spatiaux ralentissent très fortement, passant d’une vitesse orbitale de l’ordre de 30 000 km/h (supérieure à Mach 20) à environ 300 km/h (soit un facteur 100) en moins de 5 minutes[10]. C'est donc la quasi-totalité de l'énergie cinétique initiale qui est transférée au milieu traversé, dont une partie à l'objet. La chaleur générée par de telles décélérations est suffisante pour chauffer l’air à plusieurs milliers de degrés et nécessite l’utilisation de matériaux spécifiques[11].

Dès les premières missions dans l’espace, les capsules spatiales telles que celles utilisées pour les programmes Mercury, Gemini et Apollo doivent faire face au problème de l'échauffement aérodynamique. Les ingénieurs, exploitant la théorie mise au point par Harry Julian Allen, optent pour des profils arrondis qui contribuent à ralentir le véhicule[12] et produisent une onde de choc détachée du véhicule. Ces profils permettent de dissiper la plus grande partie de la chaleur dans les filets d’air entourant le véhicule et de minimiser ainsi l’échauffement de sa structure. Les capsules étaient de plus recouvertes d’un matériau ablatif subissant des réactions chimiques : oxydation et sublimation. Avec l'énergie rayonnée par la paroi ces réactions provoquent l'éjection de gaz qui s'opposent à l'échauffement. Le matériau est érodé mais évacue la plus grande grande partie de l’énergie thermique générée par l’échauffement aérodynamique. La surface du bouclier thermique de la capsule Mercury était ainsi recouverte d’un revêtement multicouche composé d’aluminium et de fibre de verre. À partir de 1 100 °C (1 400 K), le matériau disparaît progressivement en évacuant la chaleur. Une faible partie de cette énergie pénètre dans la structure qui reste habitable[13].

La navette spatiale était quant à elle recouverte sur sa face inférieure d’un manteau de tuiles en céramique pour absorber la chaleur et la dissiper par rayonnement afin d’empêcher le réchauffement excessif du fuselage. Les dommages subis par ce bouclier thermique lors du lancement de la navette spatiale Columbia ont contribué à la destruction de celle-ci lors de sa rentrée dans l’atmosphère.

Étoile filante (météoroïde incandescent traversant l'atmosphère)

Les météoroïdes peuvent entrer dans l'atmosphère à des vitesses pouvant atteindre 260 000 km/h[14]. L’échauffement aérodynamique subit par ces objets est tel qu’ils sont pour la plupart volatilisés ou fragmentés avant d’atteindre la surface de la Terre lorsque leur diamètre initial est inférieur à 25 m[15]. Les spécialistes conviennent cependant qu'il est difficile de fixer une taille limite, la nature des matériaux constituant l'objet influant largement sur les phénomènes, et donc sur les chances qu'ils ont d'atteindre la surface de la Terre[4].

Ils sont ralentis lors de leur traversée de l'atmosphère, mais ne subissent pas d'échauffement aérodynamique. Ils évacuent en effet facilement la chaleur dégagée par le frottement grâce à leur rapport surface/volume élevé (grande surface par unité de volume) et ne s'échauffent donc quasiment pas lors de leur descente vers la surface.

Ces objets sont suffisamment gros pour commencer à subir un échauffement aérodynamique à partir de 100 km d'altitude et sont le plus souvent complètement vaporisés (entre 100 et 30 km).

Ils commencent eux aussi à subir l'échauffement aérodynamique vers 100 km, mais ne se vaporisent pas entièrement. Ils se fragmentent souvent vers 40-30 km. Les fragments les plus volumineux peuvent alors atteindre la surface de la Terre. Très ralentis, les fragments qui survivent jusqu'à la base de la stratosphère (15 km) pénètrent dans la troposphère à la vitesse de chute libre maximale (entre 200 et 400 km/h). À cette vitesse, il n'y a plus d'échauffement aérodynamique, malgré la densité élevée de l'air près de la surface.

L'échauffement aérodynamique ne peut absorber une fraction suffisante de l'énergie cinétique d'un tel météoroïde pour le ralentir de manière appréciable. Le météoroïde s'échauffe donc durant toute sa descente, mais frappe la surface de la Terre à une vitesse quasiment identique sa vitesse initiale. Il est alors presque entièrement vaporisée lors du choc, qui produit un cratère[4].