气固界面非均相反应模型是高超声速飞行器热防护设计的理论基础，为了有效解决高超声速传热传质问题，从上个世纪50年代开始，融合气体动力学、热力学、热化学、分子运动论、量子理论和统计力学，逐步形成气动热力学理论，为开展该问题的研究提供了理论基础。但对于高焓流动与防热材料性能耦合传热传质研究中，气固非均相反应模型、表征关系以及工程应用等方面的理论基础非常薄弱，只能通过大量、但又无法完全模拟飞行环境的地面模拟试验开展研究。能否完善和建立气固非均相反应模型、表征关系和工程应用评估方法，是当前新一代高超声速飞行器防热设计中亟需解决的关键理论和工程问题之一。本文针对当前气固非均相反应研究中面临的理论模型缺陷、活化能和指前因子依赖大量试验数据、化学非平衡效应带来的模型局限性以及主/被动氧化和挥发分解等多项耦合问题，开展以下几方面的研究：
　　开展了高温气体化学反应模型研究，在工程精度允许的条件下，建立了基于4组元和7组元化学模型的地球/火星大气混合物的使用约束条件，推导出各自化学模型下的气体混合物能量传输简化方程，为高超声速飞行器热防护设计中热环境参数的快速、有效确定提供了可靠的化学模型。
　　基于经典无限大不可压平板边界层方程Blasius精确解，分析了驻点回流换热公式中相关参数的来源；采用比拟方法建立了离解火星环境中钝头旋成体驻点对流传热公式，并利用31英尺马赫10连续式高超声速风洞和HYPULSE膨胀管风洞对该公式进行了验证，偏差小于9%。
　　基于气固非均相反应所遵循的基本约束条件，结合传统气动热力学理论中气固界面非均相反应速率与界面气相组元参数之间的关系，建立了气固非均相反应几率与速率、边界层有限传质与反应几率之间的关系和气固界面非均相反应几率表征模型；基于Couette流动模型，分析高焓离解化学冻结边界层流动中气固非均相反应对气固界面上传热、传质影响关系，为热防护设计中飞行器表面传热传质分析提供了理论模型和表征关系。
　　通过对比分析气固界面原子催化复合几率的传统理论模型和新理论模型，结合新理论模型和风洞试验结果，建立RCG、SiC等材料表面N、空气原子催化复合几率表征关系，验证了气固原子催化复合模型的正确性；在此基础之上，分析气固界面只有非均相原子催化复合反应时，天地差异对驻点气固界面传热的定量影响关系，实现了地面模拟参数的选取。
　　研究了化学非平衡边界层气固界面非均相反应传热传质的近似处理方法和气固界面原子催化/氮化耦合反应研究中试验数据的解释方法；采用相关参考文献数据，确定了固相碳表面氧原子和氧分子氧化反应活化能的正确性，并给出典型材料表面气固非均相反应活化能；开展非平衡离解N、N2射流环境中N原子在固相碳表面氮化/催化耦合试验研究，验证了本文建立的活化能确定方法和化学非平衡离解边界层传热传质处理方法的可靠性，进一步确定了本文理论模型和表征关系的实用性。
　　通过本文的研究，完善了现有理论，建立了基础比较扎实的气固非均相反应模型，解决了新一代高超声速飞行器研制中面临的热环境与防热材料性能耦合的传热传质模型建立及表征等难题。