高超声速飞行器的热防护系统(TPS)能够保护飞行器在多次发射过程中持续工作,对于新一代可重复使用的再入飞行器至关重要,它可以显着降低发射成本并防止仪器过热。其中,多层热防护结构因具有承受结构载荷和高温隔热的优势而受到广泛关注,该结构使用的隔热材料一般只能适用于较温和的热环境。尽管在选择该系统的隔热材料时,相变材料(PCM)很少被考虑,但是它独特的材料属性却有助于改善此热防护结构的热性能。本文提出了一种使用PCM隔热的多层TPS的概念,其热性能的提高通过数值研究得到了证实。文章通过Fluent软件,以数值模拟的方式测试了未使用PCM和使用不同的PCM作为隔热层的模型,并且基于多层传热问题和相变问题,使用了有限体积法和焓法计算了所提出的热防护系统的温度响应。重现了两个经典的实验案例,以验证数值方法的可靠性,选择更优的计算方案。模型可以分为两大系列,即单面板TPS和双面板TPS,每个系列中又包含不同的子系列模型。单面板系列模型详细分析了在较严峻的飞行器气动热载荷下,仅使用传统隔热材料的模型无法满足系统的温度要求,即TPS内每个部分的最高温度均超过了它们的温度极限,而加入了PCM以后,不仅能够实现系统每一层温度均降低到各自的温度极限以下,还能够得到各子系列的质量最优与厚度最优设计。双面板系列模型关注了由于面板之间的间隙而导致的TPS内部传热不均匀的现象,PCM对系统热性能的优化主要依据中心处和间隙处两个位置的温度结果。PCM的存在改善了双面板TPS的热性能,且PCM的厚度和材料热物理属性对系统有不同程度的影响。