为了保证星际再入飞行器在极端热环境下的安全性和稳定性,发展高效、可行的热防护技术至关重要。对于飞行器热防护系统的优化设计与性能评价,开展外部热环境参数表征和结构热响应模型研究十分必要。基于此,引出三类关键热参量,分别为结构表面的热流,以及影响结构传热的反应热源和界面换热系数（包括接触热导和Stefan-Boltzmann辐射系数）。这些参量均显著依赖于多个材料性能参数,且易受结构服役环境影响,导致其直接定量表征较困难。一个切实可行的方案是,通过有限的温度测量信息,求解传热反问题,由结果反推原因。然而,在高温环境下,结构内部传热具有明显的非线性特征,且反问题具有本征的不适定性。因此,本文关注三类非线性传热反问题（边值反问题、热源反问题和界面换热系数重构反问题）,从数学理论上分析热参量重构的可行性,研究有效的数值求解方法,并对热流测量问题开展实验研究。首先,研究含温度相关热物性参数的非线性边值传热反问题,即通过一维有限域内两个测点的温度值辨识边界热流。对于正问题,采用时间重标度法对热传导方程进行线性化,并提出最优空间点概念,使正问题求解误差最小化。进而,采用函数转移法求解正问题,获得温度解析解。对于反问题,基于Cauchy问题的相关理论证明其解的存在性和唯一性,并基于时序正则化提出一种高效的热流辨识非迭代方法。研究发现,通过减小重标度时间步长,可降低算法对正则化参数选取的依赖性。另外,对热流辨识结果进行了不确定性分析,发现热导率的不确定度是热流辨识不确定度的主要影响因素。该研究为极端环境下长时热流测量提供了一种可行方法。然后,为了降低系统参数带来的不确定度,提高热流辨识精度,设计一种水冷式热流传感器,并针对该装置发展一种基于阶跃响应标定的热流辨识方法。标定法的优势在于,热流辨识值不受热物性与测点位置测量不确定度、热电偶时间常数和表面发射率等因素的影响,只需温度测量数据即可获取热流值。通过不同热源（钨卤灯、热风机和激光系统）标定阶跃响应,从而基于Duhamel原理建立热流与温度的卷积积分方程,并分别采用时序正则化法和截断奇异值分解结合数字滤波法进行求解。分别在对流和辐射条件下对水冷式传感器及热流辨识方法进行实验验证。结果显示,基于标定法的水冷式传感器测量精度显著高于传统的非标定测量装置。同时,热流辨识的不确定性分析表明,略微增大正则化参数可大幅降低热流不确定度。相关研究为热防护系统外部热流测量发展了一种高精度、低不确定度的有效方法。之后,引入非线性反应热源,研究由一维有限域内两点的温度历程重构热源反应系数和边界热流的反问题。基于Banach不动点定理证明反应系数解（只与时间相关）的存在性和唯一性,并给出充分条件。采用共轭梯度法求解反问题,并通过数值算例分析解的收敛性、精度和稳定性,同时对温度测点布局进行优化。当反应系数同时随空间和时间变化时,采用Sobolev梯度改进共轭梯度法,并分析温度测点数量对精度的影响。结果表明,热源反问题的求解效率高于边值反问题,但是求解精度和稳定性低于后者。另外,对共轭梯度法进行改进后,显著降低了重构结果对噪声的敏感性以及对迭代初值的依赖性。相关结果拓宽了热源反问题理论及其应用研究,在表征反应热源对热扩散过程的影响方面具有一定价值。最后,考虑非均质材料和多维热传导,研究广义的双材料界面换热系数重构反问题。基于Holmgren定理,从理论上证明由某一边界的温度测量值能够唯一地重构界面换热系数,即证明非侵入式测量的可行性。基于Hilbert空间的内积定义提出一种新的条件预优算子改进共轭梯度法,以克服传统目标函数梯度在终止时刻恒为零的缺点。通过一维和二维数值算例分析发现,对于温度噪声较大以及任意迭代初值的情况,预优共轭梯度法均能达到比传统方法更高的精度与稳定性,且算法鲁棒性随平滑因子的增大而逐渐增强。以上研究为表征组合式结构的界面传热行为以及界面的缺陷识别提供了一种可行方案。