超声速燃烧冲压发动机是临近空间高超声速飞行器的理想动力部件，燃烧室火焰稳定是超燃冲压发动机性能的核心。然而在飞行器的加速、减速以及当量比变化等扰动过程中均会出现燃烧的不稳定和迟滞现象，无论何种稳焰方式（如凹腔或支板）在加速和减速过程中均会发生火焰结构转换，例如凹腔稳焰，由射流和剪切层稳焰转换到纯凹腔剪切层稳焰的转换过程中，两种火焰结构不断切换导致了燃烧的不稳定，最终影响发动机性能。无论是燃烧的不稳定或者迟滞均对发动机的整体性能产生较大影响，因此需要通过各种手段消除这些不稳定现象。传统的稳焰方法改变燃烧室几何结构从而改变流场，属于被动稳焰，也是燃烧不稳定或燃烧振荡的诱因之一，均不能实现消除动态过程中产生的不稳定现象，因此需要主动的稳焰方法对燃烧进行干扰。本文通过研究双模态超燃冲压发动机加速过程中火焰不稳定现象的特征，并进一步加入等离子体主动干扰火焰结构，给出一种新的超燃冲压发动机稳焰方法，并通过本生灯实验给出等离子辅助燃烧机理。本文分为三个部分，包括发动机加速性能研究，等离子体对超声速火焰结构的影响研究，以及微波和滑移电弧对本生灯火焰影响的机理研究。第一部分通过直连实验台模拟高空飞行连续加速过程，研究超燃冲压发动机燃烧室火焰结构的动态变化和发动机性能；第二部分引入等离子体辅助凹腔超声速燃烧，研究等离子体对超声速火焰结构的影响；第三部分通过本生灯助燃实验研究微波和滑移电弧等离子体对火焰的影响。

首次在地面实现了超燃冲压发动机动态连续加速实验，模拟了高超声速飞行器高空加速过程，燃烧室马赫数2.4加速至2.9，采用RP3液态常温煤油，成功实现了点火和稳定燃烧，并进行了等当量比和连续递减当量比实验。通过研究发现无论是定当量比还是变当量比，在加速过程中均有压力的不稳定出现，并发现燃烧不稳定现象。而导致压力不稳定的直接因素之一是燃烧释热的不稳定。因此本文通过拍摄火焰CH^*自发光图像，研究了加速过程中火焰结构的变化过程。实验表明，在低速来流条件下火焰能够在射流区稳定，但高速来流条件下火焰不能在射流区稳定，而是转化为纯凹腔剪切层稳焰。射流稳焰向剪切层稳焰转化是一个不稳定过程，期间会出现两个稳焰区火焰的来回震荡，经过这一震荡过程之后才会形成稳定的纯剪切层火焰。在高速流场中由于点火延迟，单级凹腔常温煤油燃烧反压不足，不能形成稳定火焰。

为了进一步研究火焰结构和稳焰区域的转化，并提出新的火焰稳定手段，本研究设计了新的单凹腔、单面扩张的发动机模型，并在燃烧室加入了微波和滑移电弧等离子体。通过测量发动机沿程压力及拍摄火焰CH^*发光研究等离子体对发动机性能和超声速火焰的影响。实验发现加入等离子体后燃烧室火焰结构发生转换，具体表现为压力结构的改变和平均CH^*发光释热区域的变化，由此证明等离子体的加入使火焰更容易稳定在射流稳焰区域。同时发现燃烧火焰结构的转换过程是一个突变的过程，火焰结构的突变影响了凹腔位置压力的突变。其原因是微波加入后电磁场在凹腔集中，火焰更容易稳定在电磁场位置，在射流压力不变的条件下，燃烧由剪切层向下转移，改变了火焰稳定位置并形成了新的稳定模式。

通过分析火焰边界的分形几何特征分析，得到超声速燃烧火焰边界的自相似性，并且发现随着微波功率的加入，火焰边界的分形维数与微波功率成正相关。由于火焰边界的分形几何维数与湍流火焰速度为正相关关系，由此可推断微波的加入使超声速燃烧的湍流火焰速度增大。同时，通过监测凹腔位置的高频压力特征得到压力的频谱特性，发现微波和滑移电弧等离子体对压力频谱均有影响，加入微波和滑移电弧后发现了主频震荡现象，这与凹腔的自激振荡和火焰边界燃烧涡团脱落均有关系。同时结合分形几何特征，解释了微波对燃烧小尺度涡团的影响。

为了更进一步的解释微波和等离子体对火焰的影响，本文通过简单的本生灯实验力求单一变量，研究了微波和电弧加入之后火焰的化学反应中间产物。实验发现加入微波后OH自由基有上升趋势，同时Cx单质自由基数量下降。电弧对火焰的影响更加明显，电弧的加入使OH自由基显著上升。当电源功率足够大时，火焰充当电弧通路，此时化学反应中间产物几乎只剩下OH自由基，这也说明电弧的作用使化学反应路径大大缩减，促进燃烧反应。

本论文从双模态超燃冲压发动机加速过程出发，研究了加速过程中的火焰结构转换特性，并利用等离子体成功实现来流和燃料状态恒定时主动控制火焰结构完成转换，通过进一步的本生灯实验解释了等离子体对火焰影响的机理，完成了从现象到初步机理的完整研究。