在吸气式高超声速飞行器一体化性能地面试验中,需要对试验气体进行加热,以获得与飞行条件相匹配的高焓来流。得益于其低廉的运行成本、较强的可操作性,特别是模拟真实飞行高焓来流的能力,燃烧加热风洞满足了当前大尺度地面试验的需要,成为了这一研究领域的主力设备之一。但其燃烧加热方式会不可避免地在试验气体中附加水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)等燃烧产物,从而使试验气体组成区别于真实空气,即形成所谓“污染”。污染组分将造成风洞试验气体物理化学属性与真实空气存在一定差异,从而给地面试验结果向真实飞行状态的外推带来不确定性,同时地面试验也难以完全模拟真实飞行状态下的所有来流参数。目前对污染效应的研究主要集中在其对化学反应机理和发动机燃烧室工作性能的影响上,而对由于热力学特性改变带来的气动特性改变研究较少。本文通过理论分析、数值模拟、试验测量等手段,考察了燃烧加热风洞污染组分对高超声速气动性能的影响及其内在机理。在此基础上,采用简单构型比拟高超声速飞行器不同局部绕流特征,考察其在不同气流参数匹配方式中的气动压缩特性,提出了一种对准确获得飞行器气动特性较有利的匹配方式。为了评估与分析燃烧加热风洞中推进性能试验结果与纯净空气流动中的差异,对典型参数匹配方式中发动机性能进行了考察,并据此提出了一种可能提高发动机推进性能地面试验结果外推可靠性的天地换算方案。首先,本文考察了气动特性试验中的污染效应。通过对典型构型流动的数值模拟,阐述了污染组分对粘性流动的影响。结果显示,污染组分对高超声速流动动量边界层和模型摩阻系数几乎没有影响,对温度边界层和壁面热流的影响也较弱。因此,之后将研究重点放在了污染组分对流动热力学参数的影响上。理论分析、数值模拟与风洞试验均表明,对于喷管流动而言,污染组分造成了同一设备试验气流马赫数相对纯净空气流动偏低,温度偏高；对模型气动压缩特性而言,相同静温、静压、马赫数来流条件中,污染组分造成了压缩偏弱,波后温度、压力均偏低,模型所受气动力系数偏小。作为污染效应在气动特性模拟中的综合体现,考察了其对高超声速进气道起动与工作性能的影响。对轴对称进气道流动的数值模拟表明,污染组分提高了其起动能力,对远离起动/不起动临界时的工作性能影响较小;因此,当试验状态接近进气道起动极限时,燃烧加热风洞中进气道性能试验结果的可靠性需审慎考察。对污染效应机理的考察显示,污染空气热容相对纯净空气偏高、比热比偏小是引起燃烧风洞中气动特性测试结果相对真实飞行状态有所偏差的主要原因。其次,在充分理解污染组分对气动特性的影响及其机理的基础上,进行了通过调整自由流参数匹配方式来提高气动特性测试结果可靠性的尝试。为此,发展了一套基于简单压缩构型的快速评估匹配方式的理论分析方法。对不同匹配方式中斜激波、等熵压缩等简单构型气动特性的比较与分析表明,对于激波压缩与较弱的等熵压缩而言,在来流马赫数匹配或变化不大(对应来流速度与总焓或静温同时匹配的情况)的条件下,模型无量纲气动特性参数偏差基本在2%以下,相对而言是可接受的。综合考虑波后温度、焓值、压力等参数,hoPM与TPM匹配方式相对更合适。但对于等熵压缩而言,随着压缩强度的提高,污染效应逐渐显现,污染空气中模型无量纲气动特性与纯净空气的偏差逐渐增大,当波后温度达到内流道水平时,波后压力系数的偏低最大达到了15%左右。为了降低这一偏差,考虑放松马赫数匹配的限制,转而同时匹配总压与动压,略微降低污染空气中的来流马赫数,从而在一定程度上抵消污染空气比热比偏小的影响。结果表明,无论对于斜激波还是等熵压缩来说,这种匹配方式都有利于更好地获得大压缩量下模型的无量纲气动特性。综合考虑波后温度、焓值、压力等参数,提出了一种能够兼顾气动特性和发动机入口参数模拟的hoPoQ匹配方式。最后,采用准一维带化学反应数值模拟对比分析了总焓、动压、马赫数(hoQM)和静温、静压、马赫数(TPM)两种典型燃烧加热风洞气流参数匹配方式中的发动机推进性能。结果表明,对于采用氢燃料燃烧加热试验气体的风洞而言,若燃料当量比较小,未出现热壅塞或激波结构,采用TPM匹配方式能够获得与纯净空气吻合较好的燃烧室压力分布：而hoQM匹配方式则能更好地模拟大当量比下的热壅塞效果与激波结构。若风洞试验气体采用碳氢燃料燃烧加热,则两种匹配方式获得的来流参数与发动机性能的模拟效果基本相当。燃料当量比较低时,两种匹配方式均能获得与纯净空气接近的燃烧室压力分布；当量比较大时,它们均不能很好地模拟纯净空气中的热壅塞效果与燃烧室压力分布。从模拟发动机推力的角度来看,氢燃料燃烧加热风洞中采用hoQM匹配方式获得的相同当量比下绝对推力相对纯净空气明显偏高,而TPM匹配方式则与纯净空气较接近。但两种匹配方式均可通过调整燃油量来更好地模拟发动机推力。分析表明,不同匹配方式中燃烧反应释热与来流总焓的比值(燃烧释热比)的差异是引起发动机推进性能不同的主要原因。为了将不同燃烧加热方式、不同匹配方式下的发动机推力统一起来,采用燃烧释热比对燃烧引起的推力收益进行了单位化。结果显示,采用这种单位化方式时,不同污染空气和匹配方式的组合中燃烧产生的单位推力收益均与纯净空气结果基本在同一水平。若基于单位燃烧释热比推力收益进行天地换算,则可能提高地面推进性能试验结果外推的可靠性。