本文以固体火箭超燃冲压发动机为研究对象,通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方式,研究了超声速燃烧室内气固两相的燃烧过程,为发动机的设计优化提供了理论支撑和技术思路。论文主要内容包括发动机工作过程建模、发动机理论性能分析、基于Open FOAM平台的求解器开发、超声速气固两相燃烧流场分析、固体火箭超燃冲压发动机地面直连试验研究。首先,开展固体火箭超燃冲压发动机的工作过程建模,包括进气道的压缩、隔离段的扩压、超声速燃烧室的燃烧及尾喷管的膨胀过程,其中,燃烧过程考虑化学平衡,采用最小吉布斯自由能法进行热力计算。采用Hy Shot II的飞行试验数据开展验证,证明了该方法的准确性。随后,燃烧过程进一步考虑时间尺度效应,即化学动力过程,并通过混气燃烧和颗粒燃烧的实验数据验证了采用的化学反应机理的准确性。同时,针对超声速燃烧室的工作过程建立了一维定常模型,通过Hy Shot II地面试验结果和固体火箭超燃冲压发动机地面直连试验结果验证了其可行性。其次,基于开发的理论工具,开展了固体火箭超燃冲压发动机的理论性能分析,并对超声速燃烧室中气固两相的燃烧过程进行了研究。此外,还针对发动机对燃烧室构型、来流工况、混合长度和富燃燃气组份的敏感性展开了分析。结果表明:相同工况下,含硼固体推进剂所需燃烧时间远大于氢气和煤油;含硼固体推进剂产生的富燃燃气在超声速气流中的燃烧一般包括两个过程,首先是可燃气相的燃烧,其次是硼颗粒的燃烧,且硼颗粒的燃烧时间随粒径的增大而延长;超声速燃烧室的长度与富燃燃气完全燃烧所需的燃烧时间成反比,在相同工况下,含硼固体推进剂的富燃燃气完全燃烧所需的燃烧室长度远大于碳氢固体推进剂所需的长度;燃烧室构型、来流工况、混合长度、富燃燃气组份均会对发动机性能产生影响。再次,基于OpenFOAM开源CFD平台,开发了适用于超声速气固两相化学反应流的求解器,采用欧拉法求解超声速气相流场,采用拉格朗日法追踪固体颗粒,气固两相燃烧过程双向耦合,通过三个典型算例进行验证,证明了该求解器的可行性和准确性。随后,采用该求解器,进行超声速气固两相燃烧流场的分析,研究了气固两相质量占比、富燃燃气当量比、固体颗粒种类及气相组份对流场结构和燃烧特性的影响。此外,基于理论分析的结果,研究了缩短混合长度、促进掺混燃烧的扰流/阻流结构对流场结构和燃烧特性的影响,主要采用了斜劈、支板和凹腔三种常见的物理结构。研究结果表明,上述三种物理结构均有助于促进掺混燃烧,但是需要合理地设计尺寸。最后,基于理论分析的计算结果和超声速气固两相燃烧流场的仿真结果,设计了发动机构型,开展了地面直连试验,采用开窗燃烧室观测到了斜劈作为阻流结构时,点火过程的演化。研究了不同阻流结构和不同固体推进剂对发动机性能的影响,同时,基于试验工况开展了燃烧室一维模型的计算和数值仿真,进一步验证了上述方法的准确性。研究结果表明:斜劈和支板均有助于促进掺混燃烧,燃烧效率可由0.12提升至0.60,但是这两种阻流结构存在极大的热防护压力;固体推进剂的类型对发动机性能存在一定影响,富燃燃气温度较低会导致显著的点火延迟现象。