随着临近空间高超声速飞行器速度的不断提升，气动物理效应逐渐凸显。一般认为，在马赫数大于10的超高速飞行中，气动辐射现象不可忽略，能够形成复杂的飞行器光环境，进而影响到飞行器热防护设计、目标特性和光学载荷性能。

长期以来，气动辐射研究主要集中于激波波后和头部驻点等压缩区。然而，近年来国外飞行试验数据显示，在飞行器的肩部等膨胀区域测到了超出预期的辐射功率。这一现象的可能原因包括：膨胀流动中的热化学反应模型精度不足，或存在尚未认知的辐射机制。因此，开展膨胀区辐射实验研究具有重要的科学价值和工程意义。

在地面实验条件下模拟膨胀区流动并开展辐射测量面临极大挑战，主要包括高焓气流的产生与维持、可控膨胀流动的实现、以及低温下较弱辐射光谱信号的精确时空分辨测量等关键问题。基于此，本研究以探索超高速膨胀区辐射机理为核心目标，发展了基于多型脉冲式设备的超高速流动辐射实验平台，开展了激波波后、模型绕流膨胀区和模型尾迹膨胀区的辐射量化测量，获得氮气和空气工质下定量辐射光谱，发现并分析了膨胀区辐射的特殊机制。具体研究内容和成果如下：

（1）在Φ800激波管上实现了对低速（4.7 km/s）、低压（20 Pa）氮气工况下激波波后非平衡区的定量光谱测量。在580–740 nm波段实现了10 W/(m³·sr·nm) 量级微弱辐射信号的绝对光谱辐射强度测量。分析表明，计算光谱在绝对强度和光谱形状特征上与实验光谱具有较好的一致性。基于实验光谱获得了非平衡区的振动-电子温度和平动-转动温度，结果显示，态-态模型计算结果较双温度模型更接近实验值，但计算值仍与实验结果有明显差距。

（2）基于JF-14激波风洞发展了模型绕流膨胀区辐射实验平台。采用头部半径25 mm的半圆柱钝头模型，测量了模型肩部膨胀区的宽波段辐射光谱。实验涵盖多种典型工况：氮气工况（激波速度3.25 km/s、压力200 Pa）以及空气工况（3.51 km/s、200 Pa和3.92 km/s、100 Pa），测点处气体静温范围为4000 K–6000 K。实验结果表明：氮气工况下，肩部膨胀区辐射以氮分子第一正带系为主要特征，计算光谱与实验光谱形状相近，光谱强度比实验高3–4倍。近壁区域观测到了520 nm附近氮原子谱线，应与氮分子预离解机制有关。空气工况中，发现了明显的连续谱辐射现象，呈现短波强、长波弱的特点，且光谱强度比计算预测值高一个量级以上。该现象对应的辐射机制不明，强度远超现有理论预测；分析讨论了黑体辐射、韧致辐射、氧原子光复合等潜在可能辐射机制，均难以解释该现象。

（3）基于二级轻气炮开展了模型尾迹膨胀区辐射测量。实验采用直径19 mm的球形模型，在4.57 km/s飞行速度和19.5 kPa实验舱气体压力条件下测量了尾迹不同区域辐射特征。氮气工况中，尾迹区实验辐射光谱比计算结果高约一个量级，根据实验光谱，结合光谱理论计算和量子化学分析，发现基于双温度模型的流场计算预测严重偏离实际情况，尾迹膨胀区存在显著的高振动能级过布居特征。此外还探索了空气工况，观察到尾迹辐射为连续谱辐射特征，指向了NO₂化学发光机制。

总之，本文重点面向膨胀区辐射实验数据匮乏、理论模型不确定性大等现实挑战，发展了多类辐射实验平台，基于量化光谱数据，发现了膨胀区辐射特殊现象，探讨了多种可能辐射机制，为膨胀区辐射建模和应用奠定基础。