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人类对飞行的探索已经进入到高超声速时代，进而步入到太空探测和星际宇航的新世纪。超高速飞行器研制是这个进程的重要环节，六十多年来引起国内外学者的高度关注。超高速飞行因其飞行马赫数很高，强激波导致的高温真实气体效应，使得激波后流动的气体分子振动激发、解离、化合、甚至电离，普通空气变成不断进行热化学反应的复杂流体介质。不同的飞行器头部形状在超高速飞行中会产生不词的激波结构，其中由于激波脱体距离、激波角以及激波反射等现象受气体高温效应影响显著，便于测量和观测，成为空气动力学超高速流动中的典型问题。目前对超高速流动现象的解析研究和数值模拟已取得进展，试验研究由于需要试验气流必须与真实飞行条件相同，给超高速飞行的试验模拟技术和观测技术带来很大的挑战，国内尚无可靠的试验观测结果。本文的主要内容就是针对超高速流动中典型的激波现象进行试验模拟观测和研究，具体研究包括:
(1)搭建高焓流动试验平台:整体恢复并优化了正向爆轰驱动高焓激波膨胀管设备(JF16)，通过数值模拟得到其运行状态并进行调试。爆轰驱动高焓膨胀管主要将正向爆轰驱动技术与膨胀管概念相结合，利用非定常膨胀进一步加速获得超高速试验气流。与反射型激波风洞相比，它具有更高的总焓和总压及较低的静温和试验气体离解度，所以膨胀管在开展超高速气动试验方面具有更明显的优势。在试验研究中，通过改变爆轰驱动高焓膨胀管的初始状态，进行了大量运行试验，获得了不同气流速度下的流场状态参数，其中获得最大速度为8160m/s、总焓值高达37MJ/kg的试验气流。试验气体的压力曲线图与Queensland大学的X-2膨胀管的结果相比，能够提供更加平稳且有效试验时间明显延长的高品质试验气流。试验结果表明:利用现有JF16高焓膨胀管装置，能产生速度为6.5km/s至最高速度达8km/s的试验气流，有效试验时间约100-250微秒的超高速试验流场。产生的超高速高焓气流的平稳持续时间较长，试验重复性良好，表明JF16爆轰驱动高焓膨胀管在超高速气动试验领域具有独特且成熟的激波管技术和重要的应用前景。
(2)设计并搭建高速光学测试系统:由于试验气流具有极高的流动速度，有效试验时间仅为微秒量级，如何在如此短暂的试验时间内捕捉到模型周边的流动图像，对光学测试系统提出了很大挑战。通过反复调试并改进，最终使用连续氙气光源，利用纹影照相原理调节光路，巧妙控制延时触发信号，通过微秒量级的高速摄影机采集到理想的光学流动显示测试结果，而且试验重复性良好。在气流速度为8160m/s、总焓值高达37MJ/kg的流场条件下，分别对半径为15mm的钝头体;角度为15°的尖劈、尖锥;角度为25°-55°的双锥以及角度为15°-35°的双锥模型进行流动显示试验，取得了超高速流动状态下模型周边流场的连续光学显示结果。相关的结果国际上也不多见。
(3)超高速流动下的激波脱体距离和激波角等激波现象研究:本论文还分别对理想气体状态以及考虑空气的解离等真实气体效应状态下，几种典型模型在超高速流动中的激波脱体距离及激波角进行数值模拟。获得的研究结果与原有及改进的求解激波脱体距离的解析方法进行比较，得出了考虑包含热、化学非平衡的激波脱体距离的计算优于只考虑化学非平衡情况的结论，并通过得到的特定试验状态下的模型激波结构试验照片进行验证。利用双锥的模型试验结果与数值模拟结果进行对比，并对第二个锥角前部三波结构的出现以及流场中非线性不稳定的振荡激波结构进行分析。