Disque de Mach

Disques de Mach derrière un Lockheed SR-71 Blackbird en vol.

Disques de Mach émis par un General Dynamics F-16 Fighting Falcon décollant avec postcombustion.

Les disques de Mach se forment lorsque les gaz d'échappement supersoniques d'une tuyère sont légèrement sur- ou sous-expansés, ce qui signifie que leur pression en sortie de la tuyère est différente de celle de l'air ambiant[2]. Les gaz d'échappement sont généralement sur-expansés à basse altitude, où la pression de l'air est plus élevée, et sous-expansés à des altitudes plus élevées.

Comme le flux sort de la tuyère, la pression de l'air ambiant soit expansera le flux, soit le compressera ; le flux sur-expansé est comprimé alors que le flux sous-expansé est dilaté[2]. La compression ou l'expansion sont dues à des ondes de choc d'orientation oblique par rapport à l'axe d'écoulement. Lorsque le débit comprimé devient parallèle à la ligne médiane, une onde de choc perpendiculaire aux formes de flux, appelée onde de choc normale. Le premier disque de Mach se trouve ici et l'espace qui le sépare de la tuyère est appelé « zone de silence »[3]. La distance entre la tuyère et le premier disque peut être approchée par :

${\displaystyle x=0.67D_{0}{\sqrt {\frac {P_{0}}{P_{1}}}}}$

où x est la distance, D₀ est le diamètre de la tuyère, P₀ est la pression d'écoulement et P₁ est la pression atmosphérique[3].

Lorsque l'échappement passe à travers l'onde de choc normale, sa température augmente, enflammant le carburant en excès et provoquant la lueur qui rend les disques de Mach visibles[2]. Les régions illuminées apparaissent comme des disques ou des diamants, qui leur donnent leur nom.

Un Lockheed Martin F-22 Raptor avec disques de Mach.

À chaque disque de Mach, le flux se comprime jusqu'à se dilater vers l'extérieur dans un ensemble d'ondes d'expansion appelé ventilateur d'extension. Finalement, le débit se développe suffisamment pour que sa pression soit à nouveau inférieure à la pression ambiante, à ce point le ventilateur d'expansion se reflète sur la discontinuité de contact (le bord externe de l'écoulement). Les ondes réfléchies, appelées ventilateur de compression, provoquent la compression de l'écoulement[2]. Si le ventilateur de compression est assez fort, une autre onde de choc oblique se forme, créant un deuxième disque de Mach. Le motif en forme de disque se répèterait indéfiniment si les gaz étaient parfaits et sans frottement[2]. Toutefois, le cisaillement turbulent à la discontinuité de contact provoque la dissipation de la forme d'onde avec la distance[4].

Les disques de Mach sont plus couramment associés aux moteurs à réaction et à la propulsion des fusées, mais ils peuvent se former dans d'autres systèmes.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Shock diamond » (voir la liste des auteurs).

• (en) Michael L. Norman et Karl-Heinz A. Winkler, « Supersonic Jets », Los Alamos National Lab, spring–summer 1985 (consulté le 6 novembre 2011)