空天飞机、高速导弹、宇宙飞船等高超声速飞行器在再入大气层的过程中,与大气分子碰撞和摩擦发生电离,产生等离子体,使得飞行器表面包裹一定厚度的“等离子体鞘套”,对飞行器通信造成障碍,产生“黑障”现象。同时,高速的碰撞摩擦使飞行器壳体驻点处温度达到几千K,容易导致机体材料结构强度减弱外形受损甚至解体,即“热障”现象。目前,高超声速飞行器运行时的“黑障”和“热障”问题仍然是尚未逾越的障碍,严重威胁飞行器和航天员的安全。“等离子体鞘套”的电子密度、电子温度、电子振荡频率以及飞行器表面的温度和发射率是解决“黑障”和“热障”问题的重要基础参数,然而再入过程中的复杂环境为这些参数的直接测量带来了巨大的困难。光谱法具有信息丰富、响应速度快、灵敏度高、可远距离探测等优点,可用于复杂环境下目标参数的获取。本文采用光谱探测与分析技术,对高超声速流中气体分子与陶瓷靶的碰撞光谱特性展开研究。设计并搭建了高精度小视场光谱探测系统,测量了风洞中高超声速气流与陶瓷靶作用全过程中的光谱,基于分离出的等离子体光谱计算了等离子体中电子温度、电子密度和电子振荡频率,基于热辐射光谱反演了陶瓷靶与高速气流作用过程中温度与光谱发射率的变化规律。目前对高超声速飞行过程中产生的等离子体通常采用平衡态高温等离子体统计模型萨哈方程描述,然而,实际再入过程中平衡态和非平衡态同时存在,等离子体的产生机理更为复杂,一部分来源于高温电离,另一部分来源于飞行器与气体分子的碰撞电离。因此,单一的采用萨哈方程描述该过程是不全面的。本文考虑了等效高速气体来流中分子的动能、势能以及分子与陶瓷靶面的相互作用势,建立薛定谔方程,描述了气体分子与陶瓷靶作用的能量转移过程,同时根据氮原子与硅原子的能级结构考虑选择定则,给出了部分原子谱线的跃迁波长,为后续光谱指认提供了参考。根据高超声速目标再入过程中“黑障”和“热障”光谱探测的实际需求,设计搭建了小视场宽波段光谱探测系统并进行了标定,首次获得了风洞中高超声速气流与耐高温石英复合陶瓷作用全过程的辐射光谱。高速气流速度分别为5 Ma、7 Ma和10Ma,光谱探测波段为0.2μm～15μm。碰撞光谱特性分析结果表明:在可见光波段,光谱由叠加在一起的连续热辐射谱和等离体线状谱组成;在近红外和中红外波段,光谱主要体现为连续的热辐射光谱特征。光谱信息可用于等离子体参数以及靶材温度和光谱发射率的反演。对于等离子体光谱,结合NIST光谱数据库,分别对风洞中来流光谱以及驻点处来流与陶瓷靶相互作用光谱进行了分析和指认。结果表明,1、来流的等离子体光谱中只包含了氮、氧原子的发射谱线,而碰撞光谱中除了氮、氧原子的特征发射谱线外,还探测到硅的特征谱线,说明靶体材料原子已被激发电离。2、根据玻尔兹曼斜线法,选取高速气流（5 Ma）与两种靶材（石英复合陶瓷和碳化硅陶瓷）碰撞产生的等离子体光谱中共有的N I 746.8 nm、N I 821.6 nm和N I 904.5 nm三条谱线,分别计算气流与两种靶材作用（石英复合陶瓷0 ms～400 ms,碳化硅陶瓷0 s～980 s）的电子温度:对于石英复合陶瓷靶材,电子温度最低值为11264 K,出现在160 ms时,最大值19323K,出现在320 ms时;对于碳化硅陶瓷靶材,电子温度在100 s时达到最低值13289K,700s时为最大值15282 K。可以看出,与石英复合陶瓷相比,碳化硅陶瓷靶材的电子温度极差值小了约6000 K,相对稳定。3、根据Stark展宽机制,计算了驻点处高速气流（5 Ma）与两种靶材碰撞过程产生的等离子体的电子密度:靶材为石英复合陶瓷时,选择光谱中来源于靶材的Si I 577.2 nm和来源于来流的O I 777.2 nm谱线进行计算,得到驻点处电子密度分别为1.31×1017 cm-3～4.19×1017 cm-3和4.26×1017 cm-3～4.99×1017 cm-3;当碳化硅陶瓷为靶材时,基于Si I 794.2 nm和O I 777.2 nm谱线,计算得到的电子密度分别为4.21×1016 cm-3～5.97×1016 cm-3和1.66×1017 cm-3～1.81×1017cm-3。4、根据朗谬尔振荡给出了两种热防护材料驻点处电子振荡频率。对于热辐射光谱,首先根据普朗克定律,分别对风洞中高超声速气流与两种靶材相互作用的热辐射光谱进行拟合,并基于相似波长算法给出了附面层及靶材表面的温度。发现当速度为5 Ma的高速气流作用于石英复合陶瓷靶时,在初始阶段其附面层温度为7361 K,而靶材为碳化硅陶瓷时该温度为9881 K。其次,根据两种靶材的实际应用环境及再入经历,分别计算不同气动状态下两种陶瓷靶材的靶面温度。对于石英复合陶瓷靶材,设置了上升阶段5 Ma、7 Ma、10 Ma以及下降阶段7 Ma、5 Ma五个不同气流速度,每个气流速度持续10s,基于这五个阶段的光谱计算可得,气流速度上升段5 Ma时靶面温度为2063 K,7 Ma时靶面温度为2362 K,10 Ma时靶面温度达到了2821 K,在气流速度下降段7 Ma时靶面温度为2472 K,5 Ma时靶面温度为2033K;当靶材为碳化硅陶瓷时,采用5 Ma高超声气流持续作用,从第300 s开始等间隔选取4个时刻光谱,计算得到的靶面温度波动不大,约为1284 K±5 K。同时,基于发射率缓变特性的相似波长算法给出了可见、近红外和中红外波段的光谱发射率,并计算了发射率测量的不确定度和相对误差。这份研究对高超声速目标再入过程这种极端复杂环境下“黑障”和“热障”参数的获取提供了一种新的技术手段,对“黑障”和“热障”问题的解决具有一定的参考意义。