大气层内高超声速飞行被认为是最为复杂和危险的飞行区域，热防护技术是实现和保证高速飞行的基石，必须对服役热环境和材料热响应做出准确的预测。随着飞行速度的提高，来流通过激波压缩或粘性阻滞减速，导致大量动能转变成热能，出现“高温气体效应”，不仅对飞行器表面产生严重的气动加热，而且这种“非平衡效应”明显的高温流动将与机体表面材料发生强烈的非线性耦合作用。一方面气动热环境改变材料表面特性，另一方面材料响应也在很大程度上影响其承受的气动热载荷，对飞行器气动热/力特性和防热产生严重的影响，对防热材料高温力学性能提出了极大挑战，成为发展高超声速飞行器所面临的共性难题和“任务杀手”。当前解决防热的主要思路是从材料和结构入手，通过新型防热材料制备和结构优化满足气动热载荷的服役要求，而目前受到新材料研发和高机动性结构特征的制约，难以通过材料成分控制和结构优化设计大幅度提升热/力/烧蚀性能。因此，需从防热材料服役环境出发，通过探究气动热环境与材料的耦合作用机制，主动控制耦合效应的气动热载荷，降低相同气动环境下防热材料的服役温度，以大幅度缓解防热材料的压力。在耦合效应中，高温气体内原子在材料表面发生催化反应是其气动热载荷的主要来源，美国、欧洲以及日本等飞行试验结果表明表面催化反应产生的催化反应热最高可占总气动热载荷的50%以上。因此，有效降低材料表面催化特性，可大幅度降低对防热材料使用性能的要求，打破有限防热材料候选的束缚，极大的拓展可供高超声速飞行防热系统选择的材料体系，为高超声速防热材料提供新的发展空间。本文从气动热环境与材料耦合效应出发，重点围绕“防热材料表面催化效应”这一重要现象，开展了“防热材料表面催化-氧化-辐射特性及演化的同步原位表征方法”、“材料表面特性演化规律与耦合效应”以及“材料表面催化机理与关键影响因素”等关键科学问题研究。基于物理力学的研究思想，从微观反应理论出发，通过实验室表征、氧原子光谱诊断、材料分析以及物理模型，建立防热材料表面催化特性表征与评价方法：（1）从催化反应的原理出发，发展基于原子浓度损耗的催化特性实验测试与表征方法，建立压力、温度以及原子浓度独立调节的表面催化特性实验室测试系统，并根据光谱诊断技术构建了原子浓度空间分辨在线测试装置以及以非接触式为主的材料表面温度、形貌、发射率的同步原位测试系统，为防热材料表面催化反应机理研究、表征与评价以及新型防热材料设计提供实验基础。（2）根据表征方法对氧原子浓度测试的需求，结合防热材料表面催化特性测试系统测试能力，建立氧原子的发射光谱测试方法，获得反应腔内氧原子空间浓度分布，并利用Kapton质量损失法进行验证。利用麦克斯韦方程和N-S方程，分别开展不同状态下氧原子浓度分布的数值模拟，通过模拟与实验相互校验的方法准确评价反应腔内氧原子浓度的空间分布规律。开展室温、高温条件下典型防热材料表面氧原子的空间分布状态研究。（3）通过分析温度、压力、氧原子浓度以及表面粗糙度对ZrB2-SiC材料氧化行为的影响及其氧化演化规律，并对比低压氧分子、高频等离子风洞下的氧化行为，分析三类氧化行为的差异；根据氧化实验结果，建立了相应的氧原子氧化模型，通过确定材料氧化中氧原子的消耗量，从温度、原子消耗、表面成分以及氧化反应时间四个层面分析了氧化行为对材料表面催化特性的扰动；（4）针对典型ZrB2-SiC超高温陶瓷材料开展表面催化特性的测试与评价，获得环境特征（温度、压力和氧原子浓度）和材料表面属性（粗糙度、成分）对催化特性的影响规律，利用E-R、L-H模型对催化测试结果进行分析和预报。并对比国外文献数据，阐明测试方法、实验技术以及测试结果的有效性；（5）利用高频等离子风洞开展基于“能量法”ZrB2-SiC催化特性实验测试；分别从环境参数、材料响应以及测试精度等方面系统性的对比分析风洞测试和实验室表征方法的差异性。根据热平衡原理，基于实验室测试装置建立类似的热平衡表征方法，获得材料表面催化特性并完善实验室催化特性测试体系。本文通过材料学、表面物理化学、物理力学扩展的等离子体动力学、光谱物理学、工程热力学、试验/数值模拟理论与方法等多学科交叉与融合，在防热材料表面耦合响应特征表征方法、材料表面催化-氧化-辐射测试与评价技术以及防热材料氧化演化与催化反应机理等方面取得突破，为新型热防护技术提供技术储备，为未来空天飞行器技术发展提供科学基础。