随着高超声速飞行器速度的不断提高，防热材料表面和高焓非平衡来流之间的气-固耦合效应逐渐显著，机体表面气动热载荷受到严重影响，如何深入揭示气-固耦合效应作用机制已成为发展高超声速飞行器亟待解决的关键问题之一。针对上述问题，传统的以表面温度等宏观参数为指导、将材料催化特性视为常数以弱化长时气动加热下时序累积效应的研究方法已不再适用，气-固耦合效应研究对表征流场特性的精细化参数提出了迫切需求。光谱学测量方法可以直接反映宏观物理效应中的量子跃迁过程，这一优势为深入微观原子尺度研究气-固耦合效应提供了技术支撑。
本文利用辐射光谱和激光吸收光谱测量技术的优势，围绕防热材料与离解气流间的气-固耦合效应问题，提出多方法融合的光谱视角研究方案。在准静态等离子体炬流场环境下完成方案的实验验证后，将该方案应用于高频感应等离子体风洞流场环境下材料表面的气-固耦合效应研究，重点针对碳化硅、碳/碳复合材料表面的反应路径及耦合机制开展实验研究，此外，利用该方案探索了磁流体调控下隔热瓦材料表面气-固耦合效应的响应机制。具体内容如下：
基于所构建的光谱视角研究方案，重点针对放电功率和压强对电感耦合等离子体光谱特性的影响开展实验研究。利用成像技术、辐射光谱技术和激光吸收光谱技术同步获得了宽波段内不同粒子的空间分布特征和时序演化特征，根据辐射光谱特性和原子平动温度及数密度对等离子体流场品质开展分析，总结了放电功率和压强对等离子体流场空间分布特征和时序稳定性的影响规律，为在该平台开展防热材料气-固耦合效应实验研究奠定基础。
利用光谱视角研究方案，在上述电感耦合等离子体炬流场中开展防热材料气-固耦合效应实验研究。在该实验台产生的准静态等离子体环境下，重点针对以微烧蚀防热主导的碳化硅材料、以烧蚀型防热主导的碳/碳复合材料开展研究，获得了材料表面氧原子平动温度、氧原子数密度以及产物粒子辐射光谱的动态演化特性和空间分布特征，初步分析了两类材料在气-固界面处的特点。
在上述实验基础上，将光谱视角研究方案应用于高频感应等离子体风洞中碳化硅高温界面气-固耦合效应的实验研究，同时将石英作为参考材料进行对比分析。根据辐射光谱动态演化特征辨析了材料高温界面处的反应路径及竞争机制，基于激光吸收光谱透射光强特性分析了材料轮廓演化过程及其对表面反应的影响，发现碳化硅高温界面处的反应活性和轮廓演化动态特性均高于石英材料表面；此外，利用激光吸收光谱技术定量测量了材料表面的平动温度和数密度，对比分析发现对于催化特性更高的碳化硅材料，其表面氧原子数密度动态演化特性比石英材料更强，且其数值更低、轴向梯度更大。
基于上述相同的高焓等离子体加热环境，将光谱视角研究方案应用于碳/碳复合材料高温界面的气-固耦合效应实验研究。根据特征粒子辐射光强以及吸收光谱中激光透射光强的时序演化特性进行分析，发现碳/碳复合材料表面的反应进程存在氧化反应主导、反应竞争主导、氮化反应主导以及材料表面退移主导四个主要阶段。此外，激光吸收光谱技术针对氧原子平动温度和数密度开展定量测量，通过分析两参数的时序演化和空间分布特性，发现了其与化学反应机制间存在紧密的依赖关系。
利用光谱视角研究方案，探索磁流体调控下隔热瓦材料表面气-固耦合效应的响应机制。在高频感应等离子体风洞加热环境中，分别对加载N极向外磁场、加载S极向外磁场以及未加磁场条件的隔热瓦材料开展实验，通过对比材料表面光谱特性的差异性，发现相比于N极向外磁场和未加磁场工况，加载S极向外磁场工况下，隔热瓦表面温度、氧原子辐射强度、材料热解程度以及氧原子数密度消耗量均显著降低。