一体化热防护结构(ITPS)兼具隔热和承载功能,相较传统热防护结构具有更高的结构效率。然而在一体化热防护系统中,隔热材料与承载材料性能相差较大,ITPS结构在腹板处存在明显的热桥效应,限制了其工程化进程。本文从热桥现象的产生原理出发,利用相变材料储热量大、比热容高等优势,设计了一种含定型复合相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS),并从隔热、承载性能等方面进行了详细研究。在验证方案的优秀性能后,基于Python语言开发了一整套程序流程针对具体工况环境进行了结构参数的全局优化,对PCM-ITPS结构进行了轻量化设计。本文先通过传热现象机理分析了一体化热防护系统中热桥现象的产生原因,从传热基本原理出发,采用了复合相变材料来减缓热桥效应的影响。针对PCM-ITPS结构进行数值计算,分析了其隔热特性,结果表明,在一体化热防护结构的底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载,从而改善一体化热防护系统的隔热性能。在此基础上,本文进行顺序热力耦合分析验证其承载性能,针对传统采用一维等效热阻方法不能模拟夹层板内部温度场的弊端,提出了采用二维温度场插值生成三维温度场的计算方法,新方法可准确的模拟面板夹层内部温度分布。通过热力耦合模拟,计算了PCM-ITPS的应力、变形等承载关键指标,针对PCM-ITPS进行了热屈曲分析,详细的了解PCM-ITPS的承载能力与结构稳定性。在验证了PCM-ITPS的性能后,试制样件进行了性能测试和材料试验。针对传统相变材料易发生泄露的特点,制备了基于多孔材料的定型复合相变材料,解决了传统相变材料需额外封装的使用弊端,针对制成的材料进行了详细的材料性能试验,针对PCMITPS方案制备试验件,通过性能测试试验对PCM-ITPS进行验证,验证了这一方案的可行性,表明了新型一体化热防护结构具有更优的隔热能力。在验证PCM-ITPS方案的可行性与优越的隔热能力后,本文以PCM-ITPS结构参数为设计变量,隔热和承载性能要求为约束条件,在具体工况下对PCM-ITPS方案进行了优化设计,以实现PCM-ITPS结构的轻量化设计。采用不同全局算法优化后的PCM-ITPS方案比传统ITPS方案分别减重14.32%与10.03%,减厚46.09%与45.55%,以上工作为促进热防护系统的设计—制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。