飞行器在以高超声速再入大气层时,其表面温度非常高,飞行器承受严重的气动加热和机械剥蚀,若不严格的设计飞行器的热防护层,会导致气动加热造成飞行器表面温度过高损毁飞行器或是造成内部温度过高造成仪器不能正常工作。因此准确的掌握烧蚀材料的烧蚀特性对飞行器的热防护层设计具有重大意义,既防止了由于设计不足而造成的飞行器可靠性降低又解决了设计过度而造成飞行器负载增大降低了飞行器的运载能力同时增加成本。本文研究了不同烧蚀材料的烧蚀原理,推导出材料烧蚀的控制方程,建立了基于工程算法的计算物理模型,利用著名的烧蚀仿真软件Amaryllis对石墨材料、碳化材料的烧蚀进行了数值仿真,并分析了不同材料属性对烧蚀特性的影响大小,为高超声速飞行器的热防护设计提供借鉴。不仅如此,该工程算法有效的减少了设计周期,得以应对日益商业化的航天事业。本文的主要研究内容包括:总结了国内外各类热防护材料的发展进程及研究现状,提出了他们研究的优势和缺陷。分析了各类烧蚀材料在烧蚀过程中的放热机理以及它们的烧蚀物理模型。本文采用简单而又精确的工程计算方法,推导出了材料烧蚀过程中控制体的质量守恒方程和能量守恒方程,分析了烧蚀材料在化学烧蚀、机械剥蚀以及相变烧蚀的不同计算方法。建立了热防护层的简化物理模型,采用ALE网格划分方法,并利用烧蚀领域中的权威软件SAMCEF Amaryllis对烧蚀材料进行模拟仿真。求解出了烧蚀材料的瞬态温度场、烧蚀后退的位移场以及材料密度的变化。改变烧蚀材料(如碳化材料、石墨)并将求解结果进行对比分析,评价了不同环境因素对烧蚀特征的影响。分析了热防护材料在化学烧蚀和机械剥蚀耦合烧蚀情况下的烧蚀特征。本文对航天商业化进程中的热防护层材料以及高超声速武器热防护层烧蚀分析、外形设计和火箭发动机喷管烧蚀具有很大的借鉴意义。