高速飞行器以超声速或高超声速在空气中飞行，对前方气体剧烈压缩和粘性阻滞，使表面温度急剧升高，并使气体产生离解、电离等反应，带来“热障”和“黑障”等一系列问题。在如此恶劣的环境下，高超声速飞行器急需采取适当的热防护措施，保证舱内结构和设备能正常工作，因此精确预测飞行器的气动热环境及进行热防护系统的传热分析成为高速飞行器设计的重要研究课题。　　 本文对飞行器热防护系统进行研究，热防护系统首先要精确预测飞行器的气动热环境，然后将其作为外部已知条件对飞行器内部的隔热结构进行传热和热应力分析。论文分两部分:首先对高超声速飞行器气动热环境进行工程算法和CFD算法预测，发展了相应的计算程序;然后对飞行器热防护系统热传导和热应力进行边界元分析。　　 对高超声速飞行器气动热环境工程算法进行研究。基于Prandtl边界层理论，将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导区域，在理论与经验公式的基础上，利用轴对称比拟法考虑攻角影响，采用局部相似性解及参考焓等方法确定飞行器有攻角再入的表面气动加热，发展了一套高超声速飞行器关键部位气动热的计算方法。以钝锥为算例对计算方法进行了验证，结果证明本文所述方法具有较高的效率及精度。　　 发展了高温热化学非平衡条件下高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器，考虑了空气多组分及有限化学反应的影响，对化学生成源项和振动能源项采用了点隐式处理，发展了带有源项的迎风TVD格式的数值求解方法。对二维和三维算例进行了气动热数值仿真模拟，分析了热化学非平衡条件下，不同非平衡模型及热流构成的影响，计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。　　 首次提出和发展了基于径向积分法的瞬态热传导边界元分析算法。首先用各向同性材料的基本解来建立以规格化温度表示的积分方程，然后用径向积分法将出现在积分方程中的域积分转换成边界积分，利用中心差分隐格式来解决与时间有关的系数，从而形成不需要内部网格的瞬态边界元分析算法。鉴于径向积分数值算法复杂且耗时的特点，本文进一步推导出了一种新的处理变系数热传导问题的径向积分解析计算方法。基于四阶样条径向基函数，解析地求出了变系数热传导问题的径向积分表达式，使计算效率能够显著地提高。　　 提出和发展了基于多重介质弹性力学问题的界面积分边界元分析算法。在用规格化位移来表述非均质边界元计算公式的基础上，根据两临界材料剪切模量的不同将域积分退化为界面积分，从而形成适合于求解多重介质弹性力学问题的统一的边界积分方程。推导出的积分方程与传统的多区域边界单元技术相比形式简单，在程序编制、数据输入等方面方便而且高效，数值算例验证了本文所导公式的正确性。　　 对非均匀介质构成的热防护系统进行了边界元热应力分析。首先采用弹性力学基本解推导了位移和应力边界域积分方程，然后用径向积分法将包含在积分方程中的域积分转换成等效的边界积分，建立了只需边界离散的纯边界元算法。通过对高超声速飞行器热防护系统中常用的典型热结构进行二维和三维数值模拟，验证了所用方法的正确性。