随着航天事业的日新月异,对于航天器的热防护要求越来越高。由于航天器在发射以及再入过程中处于剧烈的气动加热环境,必须要用热防护材料加以保护,其中树脂基热防护材料由于综合热防护性能好、烧蚀外形变化不大、易于制作等优点,得到了较为广泛的应用。在热防护材料的研究中,地面试验和模拟分析是两项重要的手段,其中数值模拟分析易于操作,可以有效配合试验深入研究各种物理化学现象与机制,受到了充分的重视。由于热防护材料的热防护机理和参数影响规律还不清楚,本文采用数值方法分析了热防护材料的烧蚀传热机理,重点研究热防护材料的热响应特性,以及影响热防护材料性能的关键因素,为材料的选取及设计提供参考依据。首先,在对国内现有模型改进的基础上,本文建立了包括烧蚀面、碳化层、热解层、原始层的材料热响应一维综合分析模型,该模型和国外相对成熟的模型吻合得很好,与实验数据对比显示精度良好。通过该模型,本文在移动边界和变化网格的情况下,分析了热防护材料烧蚀传热过程的传热特性,得出了材料的热响应规律,发现热解层厚度不可忽略,而热解气体流动以及引射效应十分重要。随后,本文利用上述模型对树脂基热防护材料烧蚀过程中的关键参数进行了敏感性和热效应分析。结果表明,材料的热导率对树脂基热防护材料烧蚀传热特性影响最大,密度、比热容影响程度其次,其他参数的影响性则很小,为材料参数选取以及模型修正提供了理论基础。参数对于材料热防护性能的影响主要体现在各种热效应上,对于传统的酚醛树脂材料,其密度、比热容和热导率都比较大,在长时间大热流密度的工况下,往往只有热容效应起作用,气体流动效应不明显,并且由于表面烧蚀反应为放热反应,使得材料很难具有高效的热防护性能。基于上述结论,本文得出提高热防护材料防隔热性能的基本准则,即研究低热导率、高热解潜热、抗烧蚀型的材料,从而减小热传导效应、烧蚀效应,提高辐射效应、热解效应、气体流动效应,实现多种热效应协同工作。针对目前烧蚀过程的热物性参数难以测量,其取值主要基于人为经验的问题,本文采用随机近似方法对烧蚀过程的关键热物性参数进行了反演。根据敏感性分析的结果,按照敏感性的大小确定了初始热导率、初始比热容、碳化热导率、碳化比热容的分步反演次序,提高了反演精度,节省了计算的时间。结果表明,通过温度数据反演修正后的热物性参数精度较好,针对模拟数据反演的平均误差为3.66%。而针对试验温度数据反演所得的物性参数,经过模拟计算所得的温度平均误差为8.5%,能够明显提升模型预测的精度。该工作为热防护材料的热物性参数预测提供了一种新的可操作方法,实用性较强。最后,为了探究热防护材料在复杂热环境下烧蚀传热的一般规律,满足工程应用的需求,在模型分析和参数研究的基础上,本文对树脂基烧蚀过程进行了无量纲参数分析,建立了温度和不确定参数之间的无量纲准则关系式。无量纲准则式计算的结果与模拟计算的偏差在±30%以内,精度较好,可以为热防护材料的选取提供简单可靠的分析和评估工具。