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目前,高超声速条件下光学成像制导技术的研究主要面临着头罩窗口防热和窗口流场气动光学畸变控制两大难题。本文通过对高超声速光学头罩的超声速冷却气膜流场开展流动机理、冷却效率和气动光学效应的研究,探索既能有效制冷又能有效制导的超声速气膜冷却方案,以解决高超声速速成像制导所面临的热防护和气动光学畸变问题。开展高超声速光学头罩的超声速冷却气膜研究需要高性能的风洞实验平台和测试技术,本文对此开展了研究。介绍了开展实验的（高）超声速低噪声风洞和高超声速炮风洞,对风洞实验性能进行了研究,并对流场参数进行了校测。同时,为验证气膜冷却技术在高总温条件下的冷却效果,需要高总温的实验环境,因此对现有高超声速炮风洞进行了氢氮驱动改造,使其能够同时在低总温和高总温条件下运行。测试技术方面,探索了NPLS（Nano Partical based Laser Scattering）系统在高超声速脉冲风洞中的实现方案;对开展气膜冷却效果研究的热流/壁温测试系统也进行了研究。开展高超声速光学头罩的超声速气膜流场气动光学效应研究需要可靠的测试技术,本文对基于BOS的波前测试技术,即BOS-WS（Background-oriented Schlieren based Wavefront Sensor）技术进行了研究。在充分调研现有的主要波前测试技术研究进展的基础上,分析了BOS-WS的技术原理及其与目前较常使用的Hartmann传感器、Malley探针以及小孔径光束成像技术的差异和优势,研究了BOS-WS系统的波前重构计算方法,分析了该系统的测量精度和误差。结果表明,相比于其他波前测试技术,BOS-WS系统组成更为简单,对光学器件的要求不高,且能够实现高时间、空间精度的二维波前测量,更有利于在光学成像制导领域的应用。基于NPLS流动显示技术,在超声速来流条件下对二维平板喷流模型开展了流动机理的研究,以探索气膜冷却流场的基本结构特征。主要研究了30°斜槽射流和水平切向超声速射流两种喷流结构,通过改变来流边界层形态和喷流流量来分析流场结构特征的变化,并将两种不同的喷流形式下的流场结构特征进行了定性和定量的对比研究。结果表明,相对于切向气膜射流,斜向气膜所形成的流场结构更为复杂。斜向气膜从喷流喷口出射后,在喷口附近产生了复杂的扰动,不仅由于出射气流在边界层内引起的逆压梯度导致上游边界层分离,诱导出多道波系的产生;而且,在喷流出口下游,喷流和主流的混合作用发生的也更为剧烈,特别是在喷流流量增大时,喷流出射后与主流间的剪切层会迅速湍流化,下游湍流边界层的厚度也大大增加。而切向射流出射后,若来流边界层为层流,则喷流与主流间的剪切层仍能维持一定的层流形态;剪切层沿流向的增长也较为缓慢;且不会产生复杂的波系结构。不过,当上游边界层受粗糙带扰动时,剪切层的转捩也会提前,并在下游形成大尺度的涡结构,剪切层明显增厚。综上,从流动结构特征来讲,来流为层流的切向射流更适用于光学制导窗口的冷却。为认识高超声速头罩模型流场气动光学效应的基本特征,采用前述的BOS-WS技术,对高超声速光学头罩模型流场开展了气动光学效应的研究。此部分研究的头罩模型包括二维斜劈和三维双锥钝头体两种,二者具有相同的窗口倾角和窗口结构,但都不带喷流,研究的主要目的一方面是探索BOS-WS系统在高超声速低噪声风洞平台上的布置方案,另一方面是探索无喷流情况下高超声速光学头罩流场基本结构特征和气动光学特征。首先利用纹影技术对流场结构进行了显示;然后,在直连式高超声速低噪声风洞平台上实现了BOS-WS系统的布置;最后,对比研究了两个头罩模型在Ma=6.0,总温T0=420K,总压P0=1.01.6MPa的来流工况下的气动光学畸变特征,并对比了长时曝光和瞬态曝光模式下波前畸变的差异。结果表明,基本外形及尺寸相同的二维和三维头罩气动光学畸变程度基本相近;随着来流总压的提高,畸变程度增强;增大模型攻角,也会导致畸变增强;长时曝光和瞬态曝光下的波前测试结果基本接近,但长时曝光测得的波前曲面更平滑,瞬态曝光测得的波前曲面脉动性更强。基于上述认识,进一步针对带超声速冷却气膜的高超声速光学头罩开展了制冷效果和气动光学效应的研究。采用基于薄膜电阻温度计的壁温/热流测试系统,分别在高超声速低噪声风洞和高超声速炮风洞中开展了制冷效果的研究。发现在压力匹配条件下,冷却气膜能够覆盖窗口表面。气膜对窗口的冷却作用主要体现在两个方面,一个是隔热作用,即把高温来流和窗口隔离,避免来流对窗口的直接加热,这要求气膜具有一定的厚度;另一个是冷却作用,即低温气膜把从窗口或主流吸收的热量携带到成像窗口下游,这要求气膜气体的动量够大,能够对热量进行及时有效的输运。实验结果表明,压力匹配的气膜不仅能够在T0=900K的总温下实现隔热作用,而且在T0=2600K的高总温条件下,也能实现有效的热防护。采用BOS-WS波前测试技术开展了气动光学效应的研究,探索了有无喷流,不同喷流流量,不同喷口参数以及不同来流参数对光学窗口波前畸变的影响。结果表明,引入超声速气膜会导致窗口畸变的增强;增加来流总压也会增强气动光学畸变,这与前一部分的结论相似;压力匹配时的畸变程度相对较低,过压时畸变程度相对较高,但持续提高过压压比不会对畸变程度产生明显影响;欠压状态下存在畸变的峰值,这主要是受来流边界层在窗口再附形成复杂流场结构的影响。综合本部分研究,可以得出结论,对于高超声速光学头罩,压力匹配的超声速气膜能够在实现有效冷却的同时改善气膜引起的气动光学效应,这对于克服高超声速成像制导所面临的气动热防护和成像畸变控制问题有重要的指导意义。