随着高超声速飞行器的飞行速度更快、飞行时间更长以及飞行空域更加广泛，飞行器机体面临着日益严重的气动加热问题。可重复使用、轻质化是高超声速飞行器重要的研究方向，而主动热防护可以有效降低飞行器结构质量与体积、保持机体外形不变，因此有望应用于可重复使用高超声速飞行器的机体防热领域。以机载燃料为冷却剂的再生冷却是超燃冲压发动机最有效的热防护手段之一，其相关的基础科学与应用研究已经比较充分。然而将燃料再生冷却应用于大面积的飞行器机体热防护的研究很少，相关的热防护特性尚不清楚。因此，本文将高超声速飞行器大曲率半径的机体结构分割、简化为带冷却通道的平板结构，并结合被动热防护技术，开展了带再生冷却通道的平板型结构件的流/固耦合传热与热防护特性研究。

本文搭建了石英灯辐射加热台用于模拟飞行器机体表面的气动热载荷，并且推导了辐射台与平板型结构件上表面之间的辐射传热计算公式，最大计算误差不超过12%。基于辐射加热台和燃料流动与传热测试平台，选用航空煤油为冷却剂，开展了单个冷却通道的平板型结构件的主动热防护特性实验研究，分析了冷却通道管间距（结构件宽度）为100 mm和200 mm的铝合金和管间距为100 mm的不锈钢结构件在热平衡状态时的温度特性、总体传热系数、导热热阻和流阻等参数随辐射热流密度、冷却剂质量流量的变化规律。实验结果表明，主动热防护只需付出冷却剂小温升和低流阻的代价就可以大幅度遏制结构件温度的升高。总辐射加热功率为6.72 kW时，采用约30 g/s的煤油至少可以降低铝合金板面温度75 K，煤油温升在4.5 K以内、流阻不超过2.0 kPa。管间距为100 mm的铝合金主动热防护结构件的导热热阻占总热阻的36.4%-55.4%，相同几何尺寸的不锈钢结构件的导热热阻占总热阻的78.4% ~ 87.7%。因此，降低对流热阻和降低导热热阻对提高铝合金结构件的热防护性能均有着重要的意义。而且，主动热防护结构件的导热热阻受材料热物性和管间距的影响较大，受冷却剂质量流量和加热功率的影响很小。此外，在平板型结构件上表面喷涂并高温固化了纳米复合陶瓷涂层，开展了主/被动复合热防护特性实验研究，分析了涂层的隔热和防热性能。定义复合热防护系数为被动涂层的导热热阻与主动冷却基体的导热热阻之比，可以为主/被动复合热防护设计提供参考。

采用三维数值仿真方法较系统地研究了平板型结构件的主动热防护特性和主/被动复合热防护特性。数值结果表明平板型结构件的最大温度随着热流密度的增大而近似线性增大，随着管间距的增大而高阶非线性增大。基于数值仿真结果拟合得到了铝合金和不锈钢主动热防护结构件的导热热阻计算公式，与实验结果相比，误差在11%以内。此外，采用热/结构耦合分析方法研究了不同冷却条件下平板结构件的最大热应力变化规律。研究结果表明，主动冷却可以降低结构件的热膨胀量，因此有利于降低结构件的最大热应力。由于不锈钢结构件的温度较高，且弹性模量较大，因此不锈钢结构件的最大热应力远大于相同冷却与构型条件下铝合金结构件的最大热应力。

基于能量守恒原理，采用微元法和分段积分法建立了平板型结构件的温度预测模型，该模型可以快速确定主动热防护结构件和主/被动复合热防护结构件的最大温度和温度分布，计算时间约为三维数值仿真的千分之一。温度预测模型主要考虑了材料的热物性、结构件几何参数以及热边界条件的影响效应。与三维数值仿真结果较为吻合，最大温度误差在4.0%以内。此外，基于三维热弹性理论和温度预测模型，建立了平板型主动热防护结构件的最大热应力预测模型，模型考虑了结构件的温度分布、材料热物性和形变率等参数，与三维热/结构耦合分析结果相比，最大热应力的误差在20%以内。温度预测模型和最大热应力预测模型为深入了解主动冷却、被动隔热对结构温度与应力的影响提供了理论参考，同时为工程实际问题的快速评估提供了有效工具。