一体化热防护系统把结构的热防护功能和承载功能集合为一体,其结构形式简单且结构效率高,是一种极具发展前景的热防护形式。把一体化热防护结构作为飞行器承载壁板可以充分发挥结构的承载能力和防隔热能力,大大提升对结构的利用效率。结构的承载能力与防热能力相互矛盾,相互制约,本文兼顾结构的防热能力和承载能力,在结构温度约束、强度约束和稳定性约束的共同作用下对结构的设计和优化方法进行研究。一体化热防护结构的传热问题是一个瞬态传热问题,传热计算复杂,没有简单的解析解,因而阻碍了热防护结构的整体化设计。本文根据一体化热防护系统的传热特点,通过合理简化,得到了基于级数解的简化计算模型,该模型能够有效提高一体化热防护结构的传热计算效率。薄壁结构的局部屈曲是薄板介于简支边界和固支边界之间的弹性支持下的屈曲,本文以载荷分配的原理为基础,提出薄壁结构的局部稳定性分析和计算方法,实现了薄板弹性支持边界下的局部屈曲计算。根据薄壁结构刚度分配和抗失稳能力的关系,借鉴满应力设计的思想,本文提出了加筋板结构的局部稳定性最优条件。以薄壁结构的局部稳定性分析和计算方法和加筋板总体失稳等效刚度法为基础,本文建立了加筋板结构同步屈曲优化设计准则,并实现了基于结构效率的加筋板稳定性优化设计。最后在传热分析的简化模型和稳定性快速优化方法的基础上,本文提出了一体化热防护结构的快速设计方法,该方法的设计结果满足各项约束条件且与理论分析结果一致,有限元软件的计算结果验证了该方法的正确性。