高超声速飞行器飞行时,其机体表面会受到严重的气动热载荷作用,导致机体温度快速上升甚至有烧蚀机体的风险。而热防护系统作为高超声速飞行器的重要组成部分,其主要作用是保护飞行器内部元器件在安全温度下工作并保证飞行器的外形不发生显著变化,所以它对飞行器的整体性能有重要影响。集成式热防护系统由于兼具隔热和力学承载功能,是热防护系统的重要发展方向。而采用轻质多孔夹芯结构的集成式热防护系统具有轻质、优异的机械性能以及良好的隔热效果等优点,受到了学者广泛的关注和研究。目前的集成式热防护系统多采用高温合金材料,其服役温度较低且在高温时容易发生结构失效。而研究表明,相比于金属夹芯结构热防护系统,采用陶瓷基复合材料夹芯结构的热防护系统具有较高的服役温度和低面密度。同时,由于多孔夹芯结构的内部较为复杂,目前关于多孔夹芯结构芯层内部的传热机理及夹芯结构等效热导率的理论研究仍不完善,尤其是对于结构更为复杂的体心立方多孔夹芯结构。此外,由于目前集成式热防护系统中采用单层结构设计,导致热短路效应明显,尤其是在波纹板夹芯结构中,且该类设计在气动载荷作用下易发生结构屈曲失效。本文以轻质多孔夹芯板为研究对象,通过建立相应的传热模型并进行数值仿真计算,分析相应夹芯板的传热机理和隔热性能。首先,本文在第二章中对高温陶瓷波纹板夹芯结构进行了传热机理的分析和讨论,研究了填充隔热材料对波纹夹芯板传热方式的影响。同时本文证实在夹芯结构中填充隔热材料可以完全阻隔芯层中的辐射热流,提高温度分布均匀性。其次,由于波纹板结构的相对密度较大,而体心立方多孔夹芯结构的轻量化特性要优于波纹板结构。因此本文在第三章中研究了其传热机理,并建立了体心立方多孔夹芯结构等效热导率的理论,为快速分析该类多孔夹芯结构隔热性能提供了可靠的理论预测方法。针对目前集成式热防护系统中存在的结构强度较低、热短路效应明显以及隔热效率较低的问题,本文第四章提出了梯度填充隔热材料和多层夹芯结构的错位叠层设计的思路,通过理论计算和数值仿真分析证明该设计方法可有效提高热防护系统的隔热性能和机械性能,并极大的降低了热防护系统的热短路效应。本文证明了采用陶瓷基复合材料的多孔夹芯结构,结合梯度填充隔热材料和叠层设计,能够满足高超声速飞行器的热防护要求。本文的研究工作为集成式热防护系统设计提供了的重要的设计及分析基础。