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临近空间高速飞行器在飞行过程中形成的等离子鞘套是一种特殊的复杂电磁环境，会对入射电磁波产生吸收、反射和散射等效应，严重制约了临近空间高速飞行器的可靠信息传输。客观而全面地认识等离子鞘套特性参数，是确保高超声速飞行全程不间断的测控、导航和通信覆盖的前提，具有深刻的理论研究意义及工程应用价值。本文采用理论分析与数值建模相结合的手段，通过构建高超声速等离子体流场模拟的数理模型及数值模拟方法，探索了临近空间环境下等离子鞘套的形成机理及其特征参数分布的稳态和动态特性。主要研究内容如下: 1.研究了高超声速等离子鞘套形成机理与电磁波传输特性。基于等离子鞘套的宏观描述方法，考虑高超声速流场中的高温气体效应，构建了包含热力学与化学反应模型的等离子体流动控制方程。通过研究典型等离子体流场中的化学反应过程，探索了等离子鞘套的形成机理，明确了等离子体特征频率及碰撞频率的计算方法。分别采用理论分析与数值模拟方法研究了电磁波在等离子鞘套中的传输机理，考察了等离子体特征频率、等离子体碰撞频率以及入射电磁波频率之间的数量关系对电磁波衰减量的影响规律。 2.揭示了高超声速近尾迹区等离子体鞘套动态演化机理。基于雷诺平均k-w SST(Shear Stress Transport)湍流模型和大涡模拟方法，建立了适用于湍流等离子体流场模拟的混合RANS/LES方法，构造了相应的空间离散方法、时间推进方法、初边值条件及并行化计算方法。通过典型算例的研究验证了数值算法、化学反应模块和湍流模块的准确性，明确了高超声速等离子体流场模拟中的网格无关性条件与气动热模拟的要求在同个数量级。分析了包含分离流和自由剪切流的高超声速Apollo返回舱近尾迹等离子体流动结构，研究了涡系结构变化导致的等离子鞘套稳态及动态分布特性，揭示了飞行器壁面及空间等离子体特征参数随流动物理量变化的规律。 3.探索了考虑碳基复合材料烧蚀效应的等离子体流场特性。基于碳基复合材料的材料特性及烧蚀机理，构建了耦合高超声速烧蚀流场与烧蚀结构温度场模拟的烧蚀等离子鞘套数值模拟方法。通过典型算例的研究验证了结构传热模型、烧蚀反应模型及流固耦合算法的准确性，考察了壁面有限速率烧蚀模型和平衡烧蚀模型预测结果的异同。研究了三向碳碳材料烧蚀状态下的高超声速类HTV-2飞行器等离子体流场及结构温度场，分析了防热材料烧蚀对等离子鞘套的分布特性及特征参数的影响，发现其作用机理在于烧蚀反应消耗了流场中的氧原子和氮原子，弱化了流场中正向的复合电离反应从而降低了自由电子浓度。同时，烧蚀反应在流场中引入新的中性粒子并使得等离子体碰撞频率增加。 4.分析了跨流域环境下的等离子鞘套稳态及动态特性。采用包含高阶本构关系的简化常规Burnett方程(SCB:Simplified Conventional Burnett)，结合滑移边界条件及刚性旋转动态网格生成技术，发展了临近空间跨流域环境下的等离子鞘套仿真算法。分别采用SCB方程与NS方程，研究了不同流域中的典型高超声速流动，表明SCB方程结果在连续流条件下与NS方程结果及实验值相一致，在稀薄条件下则优于NS方程结果。针对跨流域环境下的高超声速RAM-CⅡ飞行器等离子体流场的模拟表明，稀薄效应使得流场中的化学反应减弱并趋于冻结，从而显著降低了等离子鞘套浓度。引入飞行器小攻角强迫振荡后，等离子体特征参数会呈现周期性动态变化，而稀薄效应的增强则导致飞行器振荡对等离子鞘套的动态扰动逐渐减弱。