À plus de 21 000 mètres, le U-2 vole entre décrochage et buffet de Mach. Une marge parfois limitée à 11 km/h sur les premiers appareils.
En résumé
À plus de 21 300 mètres (70,000 ft), le Lockheed U-2 évolue dans un domaine de vol où deux limites aérodynamiques finissent par se rapprocher dangereusement. Trop lent, l’avion augmente son angle d’attaque jusqu’au décrochage. Trop rapide, des zones d’écoulement supersonique et des ondes de choc apparaissent sur l’aile, provoquant le buffet de Mach et pouvant conduire à des contraintes structurelles excessives. Sur les premiers U-2, l’écart entre vitesse de décrochage et vitesse maximale autorisée pouvait tomber à seulement 6 nœuds, soit environ 11 km/h ou 6,9 mph. Le fameux chiffre des 7 mph est donc bien fondé. Le phénomène est appelé « coffin corner », le « coin du cercueil ». Il explique pourquoi le U-2 combine une aile de planeur, une masse soigneusement maîtrisée, un moteur adapté à la haute altitude, un pilote en combinaison pressurisée et un pilotage extrêmement précis.
Le « coin du cercueil » n’est pas une simple image de pilote
Le surnom est spectaculaire. La réalité aérodynamique l’est davantage.
Le « coffin corner » désigne la région du domaine de vol dans laquelle la limite de basse vitesse et la limite de haute vitesse se rapprochent au point de ne laisser qu’une étroite plage utilisable. La Federal Aviation Administration emploie elle-même cette expression pour décrire la situation où une diminution de vitesse conduit vers le buffet de basse vitesse tandis qu’une augmentation rapproche l’avion du buffet de Mach.
Dans le cas du U-2, le phénomène est particulièrement marqué parce que l’appareil a précisément été conçu pour voler extrêmement haut.
Les premiers modèles pouvaient se retrouver, à leur altitude maximale, avec seulement 6 nœuds de différence, soit environ 11 km/h (7 mph), entre leur vitesse de décrochage et leur vitesse à ne jamais dépasser. Les modèles ultérieurs disposaient d’environ 20 nœuds, soit 37 km/h (23 mph).
Il faut aussi corriger une approximation souvent répétée : la limite supérieure n’est pas simplement due à des « turbulences à haute vitesse ». Il s’agit principalement du buffet de Mach, phénomène aérodynamique lié à la compressibilité de l’air et à la formation d’ondes de choc autour de l’aile.
Le pilote évolue donc entre deux phénomènes très différents, mais susceptibles de produire des vibrations difficiles à distinguer.
Trop lent : décrochage.
Trop rapide : buffet de Mach, déplacement du centre de pression et augmentation potentiellement dangereuse des contraintes.
La portance explique pourquoi le problème commence avec l’altitude
Pour comprendre le U-2, il faut revenir à l’équation fondamentale de la portance :
L = ½ ρ V² S CL
La portance dépend notamment de la densité de l’air ρ, du carré de la vitesse V, de la surface alaire S et du coefficient de portance CL, lui-même fortement lié à l’angle d’attaque. La NASA rappelle que la vitesse intervient au carré : à conditions comparables, une augmentation de vitesse produit donc une augmentation très importante de la portance.
En vol horizontal stabilisé, cette portance doit approximativement équilibrer le poids de l’avion.
Or, plus un appareil monte, plus l’air devient raréfié.
À environ 21 kilomètres d’altitude, la densité atmosphérique n’est plus qu’une fraction de celle rencontrée au niveau de la mer. L’aile rencontre donc beaucoup moins de molécules d’air à chaque seconde.
Pour continuer à produire suffisamment de portance, plusieurs solutions sont possibles : augmenter la vitesse vraie, augmenter la surface de l’aile ou augmenter le coefficient de portance en relevant notamment l’angle d’attaque.
Le U-2 combine ces solutions, mais sa caractéristique la plus visible reste son aile.
L’immense aile transforme le U-2 en planeur à réaction
Le U-2S possède une envergure d’environ 32 mètres (105 ft) pour une longueur de seulement 19,2 mètres (63 ft). L’U.S. Air Force décrit elle-même ses ailes longues et étroites comme lui donnant des caractéristiques proches de celles d’un planeur.
Ce choix est directement lié au vol stratosphérique.
Une aile longue à fort allongement permet d’obtenir un excellent rapport portance-traînée. Elle réduit notamment la traînée induite associée à la production de portance. C’est le même principe qui explique les silhouettes très effilées des planeurs modernes.
Le U-2 n’a donc pas été conçu comme un chasseur qui aurait ensuite été adapté à la reconnaissance. Clarence « Kelly » Johnson et Skunk Works ont développé dès l’origine une machine extrêmement légère dont la priorité était de porter des caméras à une altitude inaccessible, ou supposée inaccessible, aux défenses soviétiques des années 1950. Le premier U-2 a volé en août 1955.
Cette optimisation radicale possède cependant une contrepartie.
Une aile qui produit facilement de la portance dans un air très raréfié en produit énormément à basse altitude. Elle rend notamment l’atterrissage du U-2 notoirement difficile. L’appareil tend à continuer à « flotter » au-dessus de la piste, y compris avec une puissance moteur réduite.
La même conception qui permet de travailler dans la stratosphère devient ainsi contraignante près du sol.
La vitesse indiquée et la vitesse réelle racontent deux histoires différentes
Le paradoxe du coffin corner devient beaucoup plus clair lorsque l’on distingue IAS, TAS et Mach.
La vitesse indiquée, IAS, reflète essentiellement la pression dynamique ressentie par l’avion. C’est cette pression aérodynamique qui intéresse directement l’aile pour produire de la portance.
La vitesse vraie, TAS, correspond à la vitesse réelle de l’avion par rapport à la masse d’air.
À haute altitude, l’air étant beaucoup moins dense, il faut se déplacer beaucoup plus rapidement par rapport aux molécules d’air pour obtenir la même pression dynamique. Une vitesse indiquée relativement faible peut donc correspondre à une vitesse vraie très élevée.
Puis intervient le nombre de Mach, qui compare cette vitesse réelle à la vitesse locale du son.
Voilà le piège.
À mesure que le U-2 monte, il doit conserver suffisamment de pression dynamique pour ne pas décrocher. Mais la vitesse vraie correspondante peut simultanément l’approcher du Mach critique de son aile.
La limite basse monte pendant que la limite haute descend.
C’est précisément ce que la FAA décrit pour les opérations à très haute altitude : la marge entre buffet de basse vitesse et buffet de haute vitesse se réduit progressivement avec l’altitude.
Le décrochage ne signifie pas que l’avion a simplement ralenti
Un avion ne décroche pas à cause d’une vitesse arbitraire. Il décroche fondamentalement lorsque son aile dépasse son angle d’attaque critique.
La vitesse intervient parce qu’à mesure qu’elle diminue, le pilote doit augmenter le coefficient de portance pour continuer à équilibrer le poids de l’appareil. Il relève donc progressivement le nez et augmente l’angle d’attaque.
Lorsque cet angle devient excessif, l’écoulement de l’air se sépare de la surface de l’aile. La portance diminue brutalement tandis que la traînée augmente.
À 20 kilomètres d’altitude, récupérer un U-2 d’un décrochage devient particulièrement délicat.
Le problème n’est pas seulement la perte de portance. Les gouvernes travaillent elles-mêmes dans un air très peu dense et disposent donc de moins d’autorité aérodynamique. La documentation historique de la NASA souligne précisément que cette faible efficacité des gouvernes compliquait la récupération après décrochage dans la haute atmosphère.
Un décrochage peut également provoquer une perte rapide d’altitude. Le pilote doit reprendre de la vitesse pour récupérer. Mais sur le U-2, cette accélération peut immédiatement le rapprocher de l’autre bord du coffin corner.
Une mauvaise récupération peut donc transformer un problème de basse vitesse en problème de survitesse.
Le buffet de Mach ferme la fenêtre par le haut
À l’autre extrémité du domaine apparaît un phénomène qui n’exige pas que l’avion lui-même vole à Mach 1.
Lorsque le U-2 atteint un Mach suffisamment élevé, l’air accélère localement au-dessus de certaines parties de son aile. Même si l’appareil reste globalement subsonique, cet écoulement local peut devenir supersonique.
Une onde de choc apparaît alors lorsque cet air doit revenir vers un régime subsonique.
Cette onde perturbe profondément l’écoulement. Elle peut provoquer une séparation de la couche limite, des vibrations, une modification de la portance et un déplacement du centre de pression. La FAA explique que l’intensification du Mach buffet peut notamment être accompagnée d’une tendance à piquer liée au déplacement de la distribution de portance.
Pour le pilote du U-2, la difficulté est redoutable : le buffet annonçant le décrochage et celui provoqué par les effets de compressibilité peuvent sembler comparables. La documentation historique sur l’appareil souligne explicitement que cette similitude pouvait rendre la réaction correcte difficile à déterminer.
Ajouter de la vitesse alors que l’avion souffre d’un buffet de Mach aggrave le problème.
Ralentir lorsqu’il est déjà proche du décrochage produit exactement le même résultat.
Le virage devient une manœuvre beaucoup moins anodine à 21 kilomètres
Le coffin corner explique également pourquoi les manœuvres doivent rester douces.
Lorsqu’un avion s’incline pour effectuer un virage en palier, sa portance totale doit augmenter afin que sa composante verticale continue de supporter le poids. Le facteur de charge augmente.
Or la vitesse de décrochage augmente avec la racine carrée du facteur de charge.
À 60° d’inclinaison, par exemple, le facteur de charge atteint théoriquement 2 g en virage horizontal stabilisé. La vitesse de décrochage est alors multipliée par environ 1,414.
Dans un avion disposant de centaines de kilomètres par heure de marge, cela reste gérable. Dans un U-2 évoluant près du sommet de son domaine de vol, quelques degrés d’inclinaison supplémentaires comptent réellement.
L’histoire du programme rapporte même qu’un virage trop prononcé pouvait placer simultanément l’aile intérieure près du stall buffet et l’aile extérieure, plus rapide, près du Mach buffet.
Voilà pourquoi le vol à très haute altitude n’a rien d’une longue croisière tranquille.
Le moteur doit lui aussi fonctionner dans une atmosphère presque vide
La difficulté ne s’arrête pas à l’aile.
Un turboréacteur dépend lui aussi de l’air atmosphérique. Plus l’altitude augmente, moins la masse d’air entrant dans le moteur est importante. La poussée disponible diminue.
Les premiers U-2 utilisaient des Pratt & Whitney J57. Les versions ultérieures ont reçu différents moteurs, jusqu’au General Electric F118-101 actuel. Celui-ci développe une poussée nominale d’environ 75,6 kN (17,000 lbf).
L’adoption du F118 a suffisamment transformé l’avion pour que les U-2R modernisés reçoivent la désignation U-2S. L’U.S. Air Force souligne son efficacité énergétique, qui permet de réaliser les longues missions sans ravitaillement en vol.
À très haute altitude, cependant, les réserves de poussée restent limitées. Il n’est plus possible d’imaginer corriger toutes les erreurs simplement en mettant brutalement les gaz.
La gestion de l’énergie devient centrale.
La montée elle-même est calculée pour gagner progressivement de l’altitude
Les premiers U-2 n’atteignaient pas immédiatement leur altitude maximale.
Les profils historiques prévoyaient une montée rapide jusqu’à environ 16 800 mètres (55,000 ft), puis une progression plus lente d’environ 3 000 mètres supplémentaires. L’avion adoptait ensuite une montée de croisière très progressive.
Cette technique exploitait un phénomène simple : la consommation de carburant réduisait progressivement la masse de l’appareil.
Plus le U-2 devenait léger, moins ses ailes avaient besoin de produire de portance. Il pouvait donc gagner encore de l’altitude sans exiger une augmentation équivalente des performances de son moteur.
L’altitude maximale réelle dépendait ainsi de la masse de l’appareil mais aussi de la température extérieure.
Le U-2 monte donc, en partie, parce qu’il maigrit.
Le pilote automatique est presque une nécessité, pas un équipement de confort
Maintenir durant plusieurs heures une vitesse comprise dans une fenêtre extrêmement étroite constitue une charge de travail considérable.
Les premiers essais sans pilote automatique l’ont rapidement démontré. Lockheed a fini par développer un autopilote capable de tenir la vitesse à quelques nœuds près, même si le pilote restait responsable du maintien de l’avion dans son domaine autorisé.
Ce point donne une idée de la précision requise.
Une automobile qui varie de 5 km/h autour de sa vitesse cible ne pose aucun problème. Un premier U-2 possédant une enveloppe de seulement 11 km/h entre deux limites potentiellement catastrophiques ne dispose pas de ce luxe.
Et contrairement à un pilote évoluant près du sol, celui du U-2 ne bénéficie pratiquement d’aucune perception visuelle de sa vitesse.
À quelque 20 kilomètres d’altitude, aucun arbre, bâtiment ou relief proche ne défile dans le champ de vision. La NASA rappelle qu’à environ 19 800 mètres (65,000 ft), le pilote pouvait acquérir une survitesse importante sans véritable sensation physique de l’accélération. Une baisse du nez de quelques degrés suffisait à faire augmenter rapidement la vitesse.
L’altitude reste la raison d’être du U-2
Pourquoi accepter toutes ces contraintes ?
Parce que l’altitude est précisément ce qui donne au U-2 sa valeur.
L’U-2S est officiellement capable d’évoluer au-delà de 21 300 mètres (70,000 ft). Il emporte des systèmes électro-optiques, infrarouges, des radars à synthèse d’ouverture, des équipements SIGINT et d’autres capteurs de renseignement. Les informations peuvent être transmises presque en temps réel par liaisons air-sol ou satellite.
Cette altitude procure plusieurs avantages.
Elle augmente considérablement l’horizon géométrique des capteurs et des communications. Elle permet d’observer de vastes régions sans suivre le relief. Elle offre une perspective idéale à certains systèmes photographiques et radar. Elle permet aussi à l’avion de rester éloigné de certaines menaces tout en regardant profondément dans la zone surveillée.
Dans les années 1950, cette altitude devait surtout rendre l’avion inaccessible aux chasseurs et aux défenses soviétiques. Cette hypothèse ne résista pas totalement à l’évolution des missiles sol-air : le U-2 piloté par Francis Gary Powers fut abattu au-dessus de l’Union soviétique le 1er mai 1960.
L’altitude n’est donc pas synonyme d’invulnérabilité.
Elle reste en revanche un formidable multiplicateur pour le renseignement.
Le U-2 transforme quelques kilomètres par heure en frontière aérodynamique
Le chiffre des 7 mph mérite finalement d’être retenu, mais pour la bonne raison.
Il ne s’agit pas d’une légende destinée à renforcer le prestige d’un avion espion. La documentation historique de la NASA donne une valeur encore plus précise : 6 nœuds sur les premiers U-2 à leur altitude maximale, soit environ 6,9 mph.
Ce chiffre résume à lui seul la philosophie de la machine.
Le U-2 obtient ses performances extraordinaires non par une abondance de puissance, mais par une optimisation aérodynamique extrême. Son aile immense lui permet de rester en vol là où l’air est presque absent. Mais cette même altitude rapproche le décrochage de la limite de Mach. Le pilote se retrouve littéralement coincé entre trop peu et trop de vitesse.
Les versions modernes ont davantage de marge, de meilleurs moteurs, une avionique profondément modernisée et un pilote automatique bien plus performant. Le principe physique, lui, n’a pas changé.
À plus de 21 kilomètres au-dessus de la Terre, la vitesse n’est plus seulement une indication : elle devient une frontière.