新型一体化热防护系统将防隔热与承力功能集成为一体，结构效率高，是热防护发展的重要方向之一。但一体化热防护防系统的隔热、承力功能相互矛盾相互制约，限制了其结构效率的进一步提升。本文兼顾一体化热防护系统的防隔热与承力性能，从结构设计与优化、综合效能评估方法两个方面展开研究。本文首先分析了一体化热防护结构系统中由热力耦合矛盾所带来的热短路效应和热不匹配效应，并通过对典型一体化热防护的分析验证上述问题；通过控制热短路热流、提高变形匹配性能设计了多种一体化热防护改进方案；通过分析各方案在典型载荷下的热力响应，验证了改进结构方案设计的合理性；利用等效面内性能分析方法，分析了结构改进对一体化热防护面内承力性能的影响。为验证结构方案设计的合理性，制备了初始方案与改进方案的组合试验件，通过在高真空平板石墨炉中的热考核试验，分析了初始方案的的热短路效应，以及结构改进对防隔热性能的影响；制备了各方案的单胞试验件，通过压缩力学实验，分析了结构改进对面外承力性能的影响。为对所设计方案进行比较，本文考虑结构设计合理性、结构效率、设计难易以及工艺性等因素，提出了一体化热防护综合效能的概念。建立了各方案各因素相对优劣及模糊评价方法。通过对比经典集合与模糊集合的概念，说明了模糊集合更适于进行一体化热防护系统性能评价。在此基础上，利用模糊综合决策方法，建立了综合效能评价方法。根据最大隶属度原则，在不同的权重系数下，对各设计方案进行了综合效能评估。结果表明，基于模糊数学的综合效能评价方法能够更为全面的评价设计方案的优劣。在结构方案设计的基础上，进一步探讨了一体化热防护的结构尺寸优化方法。以面密度为优化目标，在温度、应力、屈曲与变形多种耦合设计约束下，建立了一体化热防护系统结构尺寸优化设计模型。通过分析外载荷作用下的结构响应变化趋势，确定了结构尺寸优化的关键设计载荷。根据结构参数与结构响应的非线性程度，分别基于内点惩罚函数法、遗传算法建立了一种热力耦合协同优化方法，并对波纹夹芯和腹板加筋一体化热防护系统进行了优化。优化结果表明，优化后的一体化热防护系统结构效率得到了明显提高。