高超声速飞行器采用成像制导寻的时,严苛的气动环境使其面临着窗口防热和窗口流场气动光学畸变控制两大难题。气膜冷却是一种既能满足飞行器成像窗口冷却需求,又能满足窗口周围光透过性的有效主动冷却方式。通过对冷却气膜流动机理和流动控制进行研究,有望在满足冷却条件的同时,最大可能地减小各种复杂的流动结构对光学传输的干扰,从而提高成像质量,最终达到提高制导精度的目标。本文以基于纳米示踪的平面激光散射(Nano-tracer Planer Laser Scattering,NPLS技术)为主要实验手段,结合分形维数、间歇性分析等基于NPLS流场显示图像的数据处理方法,研究了不同静压比下超声速冷却气膜流场的结构及时空演化特性,研究了粗糙带和涡流发生器对超声速冷却气膜流场的控制作用。本文首先介绍了高超声速流场中超声速冷却气膜流场实验研究所需要的设备和相关的测试技术。对开展实验所依托的马赫6高超声速低噪声风洞、实验测试用到的高超声速流场NPLS技术以及基于NPLS流场精细结构的数据处理方法,包括分形维数、间歇性分析等方法的处理过程进行了详细说明。然后,本文基于NPLS技术,在马赫6高超声速低噪声风洞中对超声速冷却气膜流动机理展开实验研究。介绍了实验模型及流场参数,对无喷流后台阶流场显示结果进行了分析;基于无喷流状态下测得的后台阶静压数据,开展了不同静压比下超声速冷却气膜流场的流动显示实验;通过对流场精细结构的分析,研究了静压比对超声速气膜流场波系结构及时空演化特性的影响。最后,本文对高超声速流场中超声速冷却气膜流动控制展开实验研究。介绍了流场控制元件的选取和布局;在压力匹配条件下对不同高度涡流发生器、不同目数粗糙带控制作用下的超声速冷却气膜流场进行了流动显示实验;利用分形维数和间歇性分析等方法对不同高度涡流发生器、不同目数粗糙带对超声速冷却气膜流场的控制作用进行分析,探讨了高度和目数对控制作用的影响。