高超声速飞行器因其卓越的性能、极大的军事和潜在的民用价值,已经成为各国航天领域的研究前沿领域,但高超声速飞行器仍有许多亟待解决的难题,气动加热问题就是其中之一。由于普通的热防护系统存在固有的弊端,且与飞行器一体化程度低,因此既能承热又能承载的热结构设计是高超声速飞行器结构设计研究的热点。热结构设计需要结构既能承载又能抵抗热载荷带来的热变形、热应力和热屈曲问题,为了保证所设计的热结构能满足飞行环境的热力耦合条件,本文首先研究了飞行器热载荷的计算方法。对使用工程计算方法获得的冷壁热流,需要根据相关理论进行修正,因为软件功能的限制,故本文共编写了两套计算程序实现了冷壁热流修正过程,完成了结构温度场的计算。两个程序分别具有适用范围广和计算效率高的特点,能够互相补充。由于蜂窝结构具有强度高、刚度大、抗失稳能力强的特点,选择蜂窝夹层作为高超声速热结构,本文研究了蜂窝夹层的尺寸参数对结构热响应的影响,为蜂窝夹层尺寸参数的选择提供参考。同时给出了蜂窝夹层的等效传热参数和等效力学参数,为蜂窝夹层的实际工程计算提供计算参数。应用上述热分析计算程序和对蜂窝板的性能分析,对机翼热结构进行了设计,采用蜂窝夹层板,使用编写的热分析计算程序,计算了高超声速机翼的热响应,并与薄壁加筋机翼的热响应结果作对比。结果表明,蜂窝夹层结构能够有效的抵抗热载荷带来的影响,保证机翼满足使用要求。