临近空间对于国家安全具有重要的战略意义。超燃冲压发动机具有结构简单，比冲高等优势，是临近空间一种重要的推进器。超燃冲压发动机燃烧室内部气流滞留时间在ms量级，这为发动机的启动以及稳定工作提供了极大挑战，诸多助燃手段便应运而生。超燃冲压发动机实现成功点火和稳定燃烧有两种途径：降低点火延迟和提高火焰速度。

研究表明，微波可以显著的提高层流火焰速度，但微波参数与火焰参数的耦合关系仍然不明确。微波助燃实验涉及到复杂的微波系统、微波诊断系统和火焰诊断系统，因此微波助燃系统的搭建是研究微波助燃的关键问题之一。本文基于矩形波导设计了一套独立的微波助燃谐振系统并对该系统进行了详细的测试，获得了微波与流场谐振耦合的定量化参数。本文的实验研究内容主要分为两部分：基于微波谐振腔系统的微波辅助本生灯预混火焰实验和基于直连式超声速燃烧室的微波辅助煤油超声速燃烧实验。

第一部分通过搭建可调精密微波谐振腔系统，研究微波参数与火焰速度的定量化关系。采用数值仿真软件对谐振腔结构设计进行了详细的计算并对窗口参数进行了优化，自制探针对谐振腔的驻波电场分布进行了测试。开展了不同功率的微波对甲烷/空气预混火焰的影响研究。采用火焰图像处理的方式来提取火焰速度并建立了微波功率和火焰速度的定量化关系。研究表明，对于 ϕ=0.7，出口速度为1m/s和直径4mm的甲烷/空气预混火焰，加入15W的连续微波时层流火焰速度的增幅为6.98%，加入45W的连续微波时层流火焰速度的增幅为14.0%，层流火焰速度的提高与电场强度成正比。

第二部分通过微波与直连式超声速燃烧室的耦合，研究了微波对超声速燃烧过程中火焰位置、火焰稳定性、CH*转振温度以及发动机性能的影响。实验结果显示，当加入频率为2.45GHz，功率为700W的连续微波时，通过CH*图像可以计算出火焰稳定位置向上游移动了7.4mm。对比有无微波下的火焰传播速度，发现微波对超声速下的火焰速度提高比较明显。在火焰进入凹腔之前，以燃烧室为坐标，火焰向上游传播的瞬时速度均值提高了约64%，火焰离开凹腔继续向上游传播时，火焰的瞬时速度均值提高了约61%。微波的加入对发动机性能产生正反馈，实验结果显示，当加入700W连续微波时，发动机的比冲提高了约4%。

煤油燃烧火焰发射光谱的结果显示，由于点火过程中存在大量的氢，微波对于点火过程具有很强的增益效果。激发态的NO和N₂的数量均得到了明显的提高，中间产物OH、CH和C₂等基团的数量明显提高。对于煤油单独燃烧过程，微波虽然使CH等基团的数量有所提高，但是活性基的增益远不如有大量氢存在的情况，说明2.45GHz的微波作用机理可能与氢元素有较大关系，其机理还需要进一步明晰。