随着火星探测重要性日益提升,火星大气CO₂条件下探测器进入过程中面对的高温气体动力学问题愈发成为高超声速空气动力学理论分析、数值研究和实验研究的热点之一,CO₂条件下的圆球激波脱体距离测量数据能够为相关理论和数值研究提供有效验证。以往的圆球激波脱体距离的弹道靶实验主要在空气条件下进行,模型飞行速度集中在2.5km/s～4.0km/s范围,缺乏更高飞行速度的数据,圆球激波脱体距离的工程和数值计算方法也有待进一步改进和验证。为验证高超声速圆球激波脱体距离弹道靶实验测量方法可靠性,获得准确的实验数据供圆球激波脱体距离工程算法改进和数值计算验证,本文开展了空气和CO₂条件下的高超声速圆球激波脱体距离弹道靶实验,获得了空气条件下飞行速度5km/s以上和CO₂条件下、模拟火星进入弹道速度和ρR状态的圆球激波脱体距离实验数据,改进了圆球激波脱体距离的工程算法,验证了 Park双温度模型对空气条件下飞行速度5km/s以上和模拟火星进入速度和ρR状态CO₂条件下圆球激波脱体距离计算的准确性,全文共分为六章。第一章为引言。主要介绍了国内外火星探测的基本情况,综述了高超声速圆球激波脱体距离的理论、数值和实验研究现状,对目前研究存在的问题进行了总结,提出了本文的主要研究工作。第二章为高超声速圆球激波脱体距离弹道靶实验方法。介绍了本文使用的中国空气动力研究与发展中心超高速弹道靶设备的工作原理、实验设备布置、技术指标和实验测量方法。第三章为空气条件下高超声速圆球激波脱体距离的弹道靶实验。基于参考文献的速度和ρR状态设计了空气条件下的实验状态,得到模型飞行速度5km/s以上有效实验数据14个,环境压力1.500kPa～6.310kPa,模型飞行速度5.080km/s～6.490km/s;得到模型飞行速度2.5km/s～4.0km/s实验数据1个,环境压力4.200kPa,模型飞行速度2.690km/s。实验结果表明:本文实验测量方法可靠,实验结果与不同实验设备获取的数据具有可比性,阴影成像更易于判读激波位置。根据计算结果推测,本文空气条件下飞行速度5km/s以上的圆球驻点附近流动主要为非平衡状态,随ρR升高逐渐接近冻结状态。5km/s以上圆球激波脱体距离随ρR升高而增大,与2.5km/s～4km/s圆球激波脱体距离随ρR变化规律不同,推测ρR对速度不同的圆球驻点附近流动状态的影响程度不同。基于实验数据对圆球激波脱体距离工程算法进行了改进,改进算法的预测结果相对实验数据偏差在±20%以内,而原算法无法预测本文实验结果。第四章为CO₂条件下高超声速圆球激波脱体距离的弹道靶实验。参考火星典型进入弹道25km、30km、35km和40km高度的速度和ρR状态设计了CO₂条件下的实验状态,建立了靶室CO₂气体置换方法与技术,得到CO₂条件下模拟火星典型进入弹道25km、30km、35km和40km高度的实验数据各1个,靶室压力 2.420kPa～12.300kPa,模型飞行速度 2.122km/s～4.220km/s。同时开展了空气条件下相同速度、压力的脱体激波距离测量实验以提供对比数据。实验结果表明:通过阴影成像能够获取本文C02条件下激波脱体数据。速度、压力基本相同时,CO₂条件下高温气体效应较空气条件更显著,同时两者间实验数据可能存在一定关联关系。根据计算结果推测,本文CO₂条件下圆球驻点附近流动基本为非平衡状态。基于实验数据建立的圆球激波脱体距离工程算法基本能够吻合实验数据。不同ρR状态对激波脱体距离的影响有待进一步研究。第五章为高超声速圆球激波脱体距离数值计算分析。介绍了空气和CO₂条件下实验流场的完全、平衡、冻结和Park双温度非平衡模型计算方法。对比了计算结果与第二、三章实验数据和文献数据,分析了双温度非平衡模型计算空气条件下飞行速度5km/s以上和CO₂条件下圆球激波脱体距离的准确性,表明采用双温度非平衡模型能够较准确地预测实验结果。根据计算结果推测,本文空气条件下飞行速度5km/s以上的圆球驻点附近流动主要为非平衡状态,从圆球头部到下游远离头部区域,流动逐渐接近平衡流动;本文CO₂条件下从圆球头部到下游远离头部区域流动主要为非平衡状态。第六章为结束语,主要对本文主要工作和研究结论进行了总结,并提出了值得进一步深入研究的三个问题。