热防护系统的设计和优化是保证飞行器整体结构安全和内部仪器正常运转的关键科学技术,设计是否可靠很大程度上取决于对防热材料性能参数的准确估计。因此,发展高效的热参数表征和辨识方法,快速准确获取高温环境中的热参数,对热防护系统性能评价具有重要意义。高温高压环境会使大多数温度传感器损坏或失效,原位测量非常困难。鉴于此,本研究面向基于数值计算方法的参数辨识问题,利用结构低温区域有限的温度测量信息反推结构表面或高温区域的热参数。传统梯度法的传热反问题求解方案运用广泛,理论成熟,但需要求解灵敏度矩阵,在分析中受到一定限制,较难满足实时测量的要求。因此,本文结合模型降阶和代理模型思想,发展高保真、高效率、基于数据驱动的热参数辨识方法,通过理论分析和数值算例验证了该思路的可行性。为了实现高温环境中热参数的快速表征,与之相关的瞬态非线性物理问题数值求解方法、物理场正向高效计算方法以及参数快速辨识方法等关键科学问题需要突破。本文研究将围绕这几个关键问题,从以下几方面展开:（1）针对瞬态非线性热传导问题的自由单元法研究。自由单元法是一种强形式无网格配点法,本文扩展了自由单元法在瞬态非线性热传导问题中的应用,推导了相应的时空离散格式,并且从材料非线性、瞬态项、热源项、材料各向异性等角度给出了算法的具体实现过程。在此过程中,提出了一种在边界上简化拉格朗日单元的交叉线单元构造方法。交叉线单元具有更少的节点,并且从理论上证明其空间一阶导数计算精度与拉格朗日单元相同。通过二维解析解算例、三维发动机模型、涡轮模型、交叉翅片散热器模型,验证了自由单元法在解决此类问题时的有效性、收敛性和准确性,以及对不规则节点离散方案的适应性。自由单元法具有无需数值积分、容易采用高阶格式、易于施加边界条件、系数矩阵带宽小等优点,在求解传热问题领域具有巨大的发展潜力。（2）基于模型降阶技术的瞬态非线性热传导问题高效求解方案研究。在非线性问题计算中引入迭代会使计算效率降低,因此,本文提出了一种提高非线性迭代效率的全阶-降阶模型交替迭代方法。该方法利用本征正交分解法（Properorthogonal decomposition,POD）建立低维模型,在时间推进过程中陆续加入全阶模型（自由单元法）计算结果用于训练、更新数据库和POD基底,同时在某些时刻保留降阶模型计算过程。不仅吸收了全阶模型可以准确获取物理场的优势,还结合降阶模型求解快速的特点,使得计算结果兼顾求解精度和求解效率。通过二维和三维数值算例,表明了交替迭代方法的准确性和高效性。在八十万节点自由度的交叉翅片散热器问题中,计算效率可以提高近一倍。除此之外,与基于模型降阶技术的传统外推法相比,具有更高的求解精度,在工程实际中具有重要意义。（3）瞬态非线性物理场快速重构及参数辨识研究。针对高精度模型计算效率低、响应慢等缺点,建立了一种与其精度相当且计算更加高效的参数-时域两次压缩的瞬态非线性物理场重构模型。线下采用自由单元法建立参数-空间-时间三维数据库,从参数空间和时域空间两个维度对数据库进行两次压缩,获得包含参数和时间共同信息的一组正交基底,直接以该基底张成全域物理场,不仅可以保证物理场重构精度,而且大幅提高输出效率,可实现近实时输出,为参数快速辨识奠定了基础。结合遗传算法,发展高温环境中热参数快速辨识方法,通过二维平板算例和三维发动机燃烧室算例,分别对导热系数、高温中换热系数进行辨识,表明了方法的准确性、稳定性和高效性。（4）多层材料缺陷位置及形态参数辨识研究。结构的局部缺陷会使温度传递在缺陷处发生间断,进而影响整场的温度分布,直至边界处。通过对结构施加合适的热载荷,测量边界低温区域的温度分布,辨识多层材料缺陷位置、长度、偏转角度等参数,并讨论径向基函数法和克里金法两种代理模型的方法特点和计算精度。最后,以六层热防护材料AFRSI为例,考虑飞行器再入大气层过程中承受的气动加热、辐射以及对流换热边界条件,对其开展建模和计算工作,准确辨识出多层热防护系统的层间缺陷位置。另外,对比了两种代理模型的求解精度和收敛性,研究发现克里金代理模型在处理本文缺陷辨识问题时具有更快的收敛速度和更高的代理准确度。