本发明属于高速空气动力地面模拟试验设备领域，公开了超声速试验中连续变马赫数的三声速自由射流试验装置。该自由射流试验装置沿气流方向依次包括顺序连接的主进气管路与阀门系统、大开角段、稳定段、收缩段、喷管段、试验舱、超扩段、引射器、扩散段和小孔排气段，以及连接气源与引射器的引射进气管路与阀门系统。该三声速自由射流试验装置的试验马赫数范围覆盖亚跨超速域，允许试验模型堵塞度大，高度模拟能力强，具备超声速试验中马赫数实时连续变化能力，能够承担多种类型特殊空气动力学地面试验模拟任务。