高超声速技术是新世纪航空航天的标志性技术，集中体现了国家综合国力和科技水平的先进程度，已成为国内外军事和航天领域的重要发展方向。与传统航空类飞行器相比，高超声速飞行器具有很广的飞行包线和复杂的飞行环境，例如X-43A首先由火箭运载飞行至31.46km的高空，马赫数达到5.79，之后开始加速爬升，经过约150s的时间，飞行高度达到48.93km，马赫数达到9.9，巡航飞行约200s后返回；飞行器表面的最大热流可达50000W/m²，飞行过程中的最高温度可达1400K。材料科学和弹性理论的知识表明，结构在高温环境下的振动明显不同于常温环境下的振动，因此高超声速飞行器的气动-热-结构耦合问题将是重要的研究内容之一。由于试验条件不足，热气动弹性的数值分析结果成为高超声速飞行器设计阶段的重要参考依据。

由于气动-热-结构耦合问题的复杂性，适当简化模型成为重要的研究手段。摒弃计算过程复杂、计算量大的全耦合模型，采用满足计算要求的子学科耦合策略，同时考虑时间推进策略，从而形成了单向耦合求解思路和双向耦合求解思路；另一个重要的问题是气动力、气动热、热传导和结构变形的准确计算，该问题是气动-热-结构耦合分析的重要前提。

基于高超声速飞行器的气动-热-结构耦合问题和国内外的研究现状，本文首先对高超声速飞行器的典型弹性部件——壁板的气动弹性问题进行了详细的分析，后对复杂结构在热环境下的气动弹性问题和振动特性进行了讨论。具体工作内容如下：

1. 高超声速飞行器热气动弹性子学科计算方法。

对高超声速飞行器气动-热-结构耦合问题中的子学科进行精确的计算，其中非定常气动力计算采用基于混合网格节点中心型有限体积法的CFD方法，为了提高计算效率，引入了并行算法；气动热计算采用全工程的Eckert参考焓结合雷诺比拟的计算方法；结构热传导采用有限差分法，其中空间中心差分、时间向前差分，构建显式格式。结构变形采用有限元法，空间离散采用伽辽金法，时间推进采用隐式纽马克法，并构建内迭代格式，为了便于程序实现，引入了等参变换和高斯积分，采用逐个单元前置共轭梯度法进行求解，并实现并行求解。

2. 高超声速二维壁板颤振分析方法。

从von Karman板的大变形理论和Hamilton能量变分原理出发，推导出二维壁板在气动载荷作用下的动力学方程，其中非定常气动力采用活塞理论近似计算，壁板的前缘参数通过激波理论获得。采用伽辽金方法对二维壁板运动方程进行求解，并介绍了非线性响应的判断方法，包括相图法、庞加莱映射、李雅普诺夫指数和分岔图。讨论三阶活塞理论中各项对壁板颤振的影响，并给出线性活塞理论的非线性修正。对基于修正活塞理论的二维壁板颤振求解方法的收敛性和准确性进行了分析，为后续开展高超声速壁板颤振相关问题的研究提供基础。

3. 考虑外载荷作用的二维壁板颤振分析。

以二维壁板颤振理论为基础，对高超声速外载荷作用的二维壁板颤振进行研究探讨。恒温升条件下，壁板颤振的临界动压呈现下降的趋势；小动压条件下，壁板颤振边界主要受温升影响，大动压条件下，壁板颤振边界受温升影响变化缓慢。空腔壁板在有空腔压力的条件总是呈现屈曲或颤振状态，整体规律表现为高来流动压发生颤振，高空腔压力发生屈曲。对流冷却系统中，首先忽略了冷却液对壁板的剪切作用，入口表头压对壁板颤振的影响和空腔对壁板的作用规律相似但有不同，冷却液注入方向对壁板颤振的影响取决于板前压和压降比；粘性阻力抑制壁板颤振，而惯性阻力作用效果相反。

4. 气动-热-结构耦合的一般性分析思路及流程。

从各物理场之间的耦合关系和气动-热-结构耦合问题的求解思路出发，建立了气动-热-结构耦合分析的基本框架和基于不同时间尺度推进的计算流程；建立了壁板热颤振的动力学分析方程，综合考虑了非定常气动力、壁板变形引起的薄膜应力、气动热引起的热应力以及均匀温升引起的热弯矩等；以典型TPS壁板为研究对象，分析了在30km高空安全巡航的飞行时间，结果表明，随着马赫数的增加，壁板颤振更容易发生，安全飞行时间更短，例如以马赫数10.5飞行45s即发生了颤振，而以马赫数9.0飞行258s才会发生颤振。

5. 复杂外形在热环境下的振动特性。

对于一般的弹性结构，如高超声速飞行器舵面、整机模型等，其热气动弹性问题的分析方法与壁板有所不同。首先考虑高抗弯刚度的小展弦比机翼，由于气动弹性变形量较小，可忽略由结构变形导致的气动热的变化，采用单向耦合求解思路对热气动弹性特性进行了初步的分析与讨论，气动热条件下，小展弦比机翼发生颤振的临界速度远小于常温条件下的颤振临界速度；接着考虑结构变形对气动加热的影响，采用有限元直接积分求解结构动力学方程，并与高精度的CFD方法耦合，计算分析了15°后掠翼的气动弹性问题和受热条件下的响应问题，采用模态叠加法和采用有限元直接积分法的气动弹性分析结果相近，加载函数同为单位阶跃函数时，分别加载绝热比和等温壁条件下的温度场时机翼的颤振临界速度为425m/s、444m/s，较常温条件下的颤振临界速度降低15.3%和11.6%；最后针对热环境下的地面振动试验，设计了可进行热模态试验的真空试验装置，包括真空环境、响应导杆、激励及传递设备、温度补偿器和箱体密封设备。