高超声速飞行器以几倍以上声速飞行时,周围大气相对于其形成高超声速流动,并产生前端激波层。周围空气受到激波压缩和粘滞效应的影响,大量的动能转化为内能,导致温度剧烈上升。温致使气体发生解离、电离、激发、复合等一系列复杂的化学反应,以及不同的能量弛豫过程等。这些效应使得高超飞行器表面形成等离子体鞘套薄层。等离子体鞘套会反射、吸收、折射电磁波,严重影响高超声速飞行器的通信,引发所谓的“黑障”效应,是高超声速飞行器研发所面临的重要挑战。对电磁波与等离子体鞘套之间相互作用的深刻理解无疑是解决黑障问题的基础,而对等离子体鞘套特性的准确描述是开展电磁波与等离子体鞘套相互作用研究的重要前提。因此,本课题以此为背景,建立热力学和化学非平衡的物理数学模型,利用商用计算流体力学软件USim对多场耦合等离子体鞘套特性,特别是电子数密度和电子-中性粒子碰撞频率的分布,开展数值研究。模型中采用双温度假设(即,平动-转动温度和振动-电子温度)处理热力学的非平衡,并与单温度假设进行了比较。同时采用7组分18化学反应模型处理化学的非平衡特性。本课题以RAM-C Ⅱ高超声速飞行试验为研究对象,首先采用单温度模型,对61km处,不同入流条件下的等离子体鞘套进行数值模拟。给出等离子体鞘套的平动温度、压强、流速和各组分数密度的空间分布。并将计算得到的电子数密度分布与飞行试验探测数据进行对比分析,同时验证计算程序的可靠性。在程序及模型验证基础上,进一步采用双温度多场耦合模型,数值模拟飞行高度为61km和71km的RAM-C Ⅱ非平衡流场形成等离子体鞘套的过程。得到流场稳定后的等离子体鞘套温度、流速、电子数密度以及电子与各中性组分的碰撞频率分布图。重点分析了球头驻点区域参数分布规律。计算结果表明等离子体鞘套边缘存在脱体激波,激波内外的等离子体各项参数变化很大:在球头区域非平衡效应最明显,电子数密度峰值可达到1020m-3;电子与中性粒子碰撞中与氮气的碰撞占主导,碰撞频率可达109s-1。而不同飞行高度对电子数密度分布的影响不大。