随着近地轨道返回技术的成熟和商业航天的兴起,世界各主要航天强国和新兴商业航天公司相继出台了规模庞大的深空探测战略规划,深空返回器再入过程的热防护技术逐渐成为航天领域新的研究热点。本论文以硅烷改性酚醛树脂(Si-PR)为基体相,以低密度针刺连续石英纤维编织体(NQF)为增强相,采用真空浸渍,常压干燥和真空干燥工艺制备新型低密度石英/酚醛烧蚀型热防护材料(NQF/Si-PR)。该材料有较低的密度(0.309～0.321 g/cm3)和较高的孔隙率(77.70～79.03%),且材料微观结构呈现出明显的分层特点。材料的热物理性能与温度有强烈的相关性,材料在法向方向较低的热导率表明材料的防隔热性能良好。较高的横向拉伸强度,法向压缩强度和法向弯曲强度表明材料在烧蚀过程中有较好的保型能力。材料的平板电弧风洞实验考核结果表明在长时间中低热流密度的加热环境下,材料有优异的抗烧蚀性能、防隔热性能和良好的材料保型能力。材料的质量损失机理主要是表面剪切力对表面烧蚀层的剥蚀,材料的能量吸收机理主要是酚醛热解气体和其他烧蚀产物引射到边界层内所产生的“热阻塞效应”。根据风洞实验参数,局部平衡热力学理论和计算流体力学知识,建立描述高焓高速空气在风洞喷管内流动的本征数学方程,利用ANSYS商业仿真平台建立了全尺寸的三维流体计算域模型,实现了对风洞测试中两个加热阶段的高焓高速空气在喷管中的流动情况和平板材料在这两个加热阶段中的受热情况和受力情况的计算。模型计算结果与实验测量结果的对比得到了合理的相对误差。计算结果表明:第一阶段平板表面热流密度分布明显不均,且在平板中部附近出现明显的分界线;第二阶段平板后半部分两侧处的热流密度较大,平板表面内其他区域的热流密度分布较为均匀;两测试阶段平板表面的绝对压力分布都比较均匀。基于材料的风洞考核结果和对材料防隔热机理的分析,建立了包含热解气体流动和酚醛树脂热解的材料热响应模型,并将材料表面的能量平衡方程作为模型的边界条件。利用COMSOL Multiphysics商业仿真平台求解了酚醛树脂的三段热解动力学方程,并建立了全尺寸的二维固体计算域模型,实现了对在风洞考核过程中材料中轴面内的热响应行为的计算。模型计算结果与实验测量结果的对比得到了合理的相对误差。计算结果表明:材料表面温度随着测试环境的突变会发生较大的改变,并逐次经历三个表面能量平衡阶段,分别对应风洞实验的三个测试阶段。相对于外部加热环境的剧烈变化,材料表面温度的变化有一个轻微的延迟。材料内部的温度变化逐渐放缓,到达最高温度的时间也随着深度的增加而逐渐延长。在考核结束后,材料中轴面内碳化层的厚度在8mm左右,且材料的密度和其他物理性质出现典型的分层特点。