高超声速地面试验设备是研究飞行器气动特性的重要平台，但其自由流参数的精确表征长期受测量手段有限、边界层干扰等等因素制约。特别是在激波风洞运行中，受喷管热化学非平衡、膜片非理想张开、驱动气体污染等影响，真实自由流参数与模拟结果存在偏差，试验有效时间也存在不确定性，严重影响高精度试验数据的获取与评估。力学所联合研究团队基于JFX反射型激波风洞开展了二氧化碳自由流的系统性表征研究，成果以“Characterization of reflected shock tunnel freestream in carbon dioxide”为题发表在《Experiments in Fluids》期刊。

联合研究团队创新性构建了多模态联合诊断体系，集成皮托管压力测量、高速纹影成像与激光吸收光谱技术，实现了自由流温度、组分浓度与激波脱体距离的同步高精度测量。通过开发喷管壁面集成的光纤耦合激光探测系统，有效避免了真空舱内气体膨胀对光路的影响，分别在2μm和1.4μm波段实现了CO₂与H₂O的吸收探测。结合等熵膨胀计算与双温度模型CFD模拟，揭示了自由流状态的演化规律及驱动段气体污染的影响机制。

本研究由力学所硕士毕业生刘卓与在读博士生李仁杰为共同第一作者，汪球高级工程师为通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金（12072352与12232018）、中国科学院青年创新促进会（2021020）、中国科学院战略先导专项（XDB0620203）及广东省重点领域研发计划（2021B0909060004）的联合支持。

图1 TDLAS测量的时变分压（a、c）和温度（b、d）与不同条件下激波脱体距离（SSOD）和CFD预测结果的比较