高超声速飞行器在60km以上高空飞行时，气体流态已经属于稀薄气体流动范畴，具有高温的分子内态非平衡、高速流动结构非平衡等特点。该方向的主要研究内容包括四个方面。

(1)  高效稀薄气体数值模拟技术：根据流动微观机理和粒子模拟技术，不断发展高效的粒子模拟方法，建立适合于全流域（连续介质区、过渡领域、自由分子流）的多尺度耦合算法，研究有电磁场作用的稀薄等离子体内外流模拟技术。

(2)  稀薄气体流动地面模拟技术：建立高超声速稀薄气体流动实验装置（高超声速膨胀管、稀薄等离子体风洞），研制气动力微量天平，发展非接触式稀薄气体流动测量技术。

(3)  稀薄气体效应及其影响规律：通过比较连续和粒子模拟结果，分析稀薄气体效应，揭示稀薄气体效应影响规律，归纳适合于工程应用的经验公式。

(4)  飞行器稀薄环境下的气动性能和喷流控制规律：研究临近空间飞行器在70km以上高空的飞行气动特性和气动外形优化设计，分析深空探测器再入过程和动力装置羽流特性。