热流传感器是航空航天及科学研究中不可缺少的用于测量热流密度的仪器。典型的圆箔式热流计具有测量精度高、响应速度快及技术成熟等优点,但其适用的温度和热流范围严重限制了它的使用。本文提出了一种基于高导热石墨的新型热流传感器设计方案,利用了高导热石墨的耐高温性能与热导率各向异性的特征。为达到测试要求,本文首先优选了结构材料、热电偶和隔热材料,提出了改进的热流传感器结构,建立了瞬态热传导方程,采用迈克劳林级数方法得到了敏感元件热传导的稳态响应和瞬态响应的显式表达式,确定了入射热流与敏感元件温差的函数关系。对热流表征效果的影响因数进行了分析,给出了敏感元件参数化建模和优化设计的方法、流程控制和程序等,综合考虑敏感元件上最高温度、上下表面温差、背壁温差以及温升速率等优化目标后,得到了最优化结构尺寸。针对敏感元件结构优化的结果,采用有限元方法对热流传感器的稳态热传导过程进行了研究,得到了其热流测量范围,并通过比较输出热流与输入热流,得到了热流传感器的测量误差;计算了传感器的灵敏度并分析了其影响因素,根据热响应时间计算的结果推测出了脉冲热流成为可测的最小时间要求。对热流传感器可靠性的评估结果表明,综合考虑厚度和热电偶丝之后输出热流误差得到改善。为进一步探讨不同形态热流作用下热流传感器的瞬态响应特征,分析了其在常值热流及变化热流作用下敏感元件背壁温差和输出热流变化趋势,并同输入热流进行了比较,结果表明,三者的变化趋势吻合度非常高,达到了对不同热流的表征效果好、测试精度高、响应速度快等设计目标。