为了缓解飞行器热防护系统单元之间的热膨胀和变形，在热防护组件间预留了一定的缝隙，而缝隙的存在可能使得高温气流进入热防护系统内部，导致结构局部过热。本文主要从流、热、固三个方面，对热防护系统结构缝隙开展热分析与设计研究。首先通过建立高超声速缝隙流动模型，分析缝隙流动特性，重点研究缝隙内部气动热。结果表明外部流动只会对缝隙上部产生较大影响。缝隙迎风面热流峰值是当地平板热流值的2.5倍。分析了攻角、马赫数以及缝隙几何等参数对缝隙热流分布的影响规律。研究发现攻角增大，使得气动热对缝隙的影响深度增加但影响程度降低；马赫数增加对缝隙内相对热流分布基本没有影响；缝隙宽度的增加使得外部流场对缝隙内热环境的影响深度和影响程度同时增加。综合而言，缝隙宽度是影响缝隙内部热环境的关键因素。根据缝隙热流分布规律，对缝隙结构进行热响应分析。研究发现局部热流会导致缝隙上部温度快速升高，加剧缝隙辐射导致的热短路效应。在缝隙内高温气流对流和空腔辐射的综合影响下，缝隙宽度增加使得缝隙局部热增加，当缝隙宽度为4mm时达到最大值。制备了不同宽度的隔热瓦缝隙结构件，利用氧-丙烷高温燃气加热平台，对隔热瓦缝隙试验件进行了瞬态高温燃气对流试验研究。试验结果表明当缝隙上部达到辐射热平衡时，随着宽度增加，缝隙中部和下部的局部热增越明显，与数值模型结论一致。针对三维隔热瓦热防护组件，开展热力耦合分析并进行优化设计。选取典型再入工况，考虑了缝隙导致的局部热效应，对热防护组件进行热力耦合分析。利用Isight优化平台，通过编写Abaqus脚本文件，建立了热力耦合优化模型。考虑温度、应力、膨胀、变形等多方面设计约束，以质量最轻为目标，对隔热瓦尺寸进行优化设计，优化后结构质量和厚度下降了50%以上。同时与不考虑局部热效应的优化结果相比较，发现局部热增量使热防护结构整体增厚，质量增加，缝隙变窄。