本文以再入弹头被动热防护系统方案设计为工程背景,参考目前国内外各种再入飞行器的热防护系统方案,探索从飞行器气动加热、热防护系统的选择和防热性能分析的数值计算方法。论文主要内容及成果如下:首先介绍了高超声速气动加热的基本理论和防热技术的发展,对国内外发展的各种高超声速气动热计算方法进行了分析、归类和比较,综合了各种经典的热流预测方法。在此基础上,引入工程上计算气动热的估算方法及热流密度计算的简化公式,在不考虑烧蚀以及质量引射等影响下,对球双锥外形再入弹头进行了气动加热估算。然后,采用有限体积法计算流场的控制方程和离散格式,针对本文的研究对象建立了计算模型,得出了气动加热的数值解,并与工程估算的结果作了比较。对全弹道的不同时间点进行了计算,为结构的瞬态热分析提供了边界条件。在求解过程中,对模型进行了轴对称简化,显著地减少了计算量,以便快速求解全弹道热流。研究了后锥角大于前锥角情况下的球双锥外形气动加热和温度分布特点。最后,建立了弹头防热系统的三维有限元模型,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,数值模拟了各层防热结构的温度变化历程。计算结果反映了弹头在再入过程中防热系统的各个部位和各个材料层的温度随时间变化的过程,对于防热系统材料的选择、厚度分布设计有指导意义。通过对多种防热系统方案的计算比较,提出了合理的防热层材料选型和三维布局设计。