气动加热是可重复使用高超声速空天飞行器研究的关键问题之一。本文的主要目的是计算长时间气动加热作用下飞行器表面热流和结构温度场的变化,为热气动弹性和热防护系统的分析提供准确的非定常热载荷预测。高超声速飞行器表面热流的计算受多方面因素的影响,主要是对CFD计算格式和网格的依赖较大。本文对流通量的计算选择AUSM+和AUSMPW+格式,分析了物面网格雷诺数对热流的影响,表明该类格式计算结果受网格的影响相对较小。时间的离散采用隐式LU-SGS方法,该方法具有很高的计算效率,可以节省不少计算时间。高超声速流动中由于强烈的激波压缩温度急剧升高,出现了高温效应,主要表现为气体振动能、电子能的激发和化学反应的出现。本文采用了7组元7反应模型,编制了高超声速化学非平衡流动的数值模拟程序,并通过对RAM-CⅡ飞行试验流场的数值模拟,证明了本文在化学非平衡流动计算方面的准确性。使用控制容积法计算了结构非定常导热过程,界面导热系数采用调和平均法,边界处理采用附加源项法。在此基础上通过松耦合方法将流场与结构温度场耦合起来,交替迭代向前推进。在耦合时间步内表面热流采用时间插值迭代更新,提高了计算精度和稳定性。应用上述方法进行了实验模拟,结果吻合很好,表明本文的计算方法是行之有效的。在计算高超声速翼面温度场时间历程的基础上,对其进行了热模态分析,模态频率不断下降,很有可能导致颤振临界速度的降低。