随着对吸气式超声速推进研究的深入，在超声速燃烧点火控制和火焰稳定方面的挑战也日益增加。在以超过5 马赫数飞行时，气流在燃烧室驻留时间太短，没有足够的时间使燃料点火并完全氧化。因此，通过提高燃料氧化速率和整体化学动力学来减少化学反应时间的新技术也引起了广泛关注，微波辅助燃烧（MAC）是这些新技术的其中之一，通过使用微波能量来增强燃烧，是一个新的研究领域。本文构建了微波辅助燃烧的数值模型并开展了超声速条件下微波辅助燃烧的实验研究，通过改变工况分析了影响微波辅助燃烧效果的因素。

本文使用详细的电子输运模型和甲烷详细的反应机理来模拟微波电场下，预混火焰的传播速度和温度等火焰参数。在微波电场之下，电子-中性粒子碰撞作用会加速燃烧反应过程，并进一步提高火焰温度和火焰传播速度。因此，在非击穿条件下（亚临界），电子的作用更加突出，不仅有热效应还有动力学效应。为了完善的表达微波电场与燃烧的耦合作用，本模型在广泛使用的欧姆热模型中添加了电子激发态组分的化学反应机理，同时使用电子能量分布函数（EEDF）来计算一些涉及电子的输运参数和反应速率常数，大大提高了关于电子的计算精度。在本模型与相关实验结果的对比中，模型可以更准确预测微波电场下火焰温度、速度以及反应组分浓度。另外，使用本模型对可能影响微波助燃效果的因素进行评估，发现电场强度与火焰速度提升成正比，火焰速度的增加值与当量比关系更复杂。

本文依托直连式超声速燃烧实验台，设计了可以工作在1GHz-6GHz 的微波耦合超燃燃烧室，以及搭建了配套的测量系统。使用网络分析仪测量了燃烧室的回波损耗，发现燃烧室存在多个较低回波损耗的“峰值”频率点，并将这些频率作为实验中候选频率。对比有无来流状态下的回波损耗，发现来流和火焰存在对“峰值”频率点的回波损耗有影响。实验中使用了各种先进的诊断手段，包括CH∗ 图像、宽域光谱、壁面压力和推力等数据，对不同频率和功率水平微波的辅助燃烧效果进行了定量化的分析。

实验研究发现小功率的微波同样能提高各种当量比的自由基浓度和发动机推力，平均推力提高了15-30% 之间，还发现微波耦合与燃烧状态有较大关系，同时微波具有空间的传播性，不仅能影响天线辐射的凹腔内火焰，也会影响下游的火焰，对这种情况有两种解释：一是在凹腔位置的火焰中产生激发态组分，其传播到下游成功点火并燃烧；二是微波能量直接传播到下游并辅助燃烧。另外，发现加入不同“峰值”频率的微波，其频率对微波助燃效果影响不大，因为“峰值”频率点的回波损耗都较低，微波耦合到火焰的功率都很接近，这说明1-6GHz 的微波与火焰的耦合主要是电场作用而不是频率共振。显然，微波功率越大，助燃效果会越明显，但真正在动力学起作用的微波能量比例还需要进一步的研究。