长期以来,气动热问题一直受到设计人员的极大关注,高超声速飞行器在飞行过程中会对前方空气强烈压缩,这会导致空气温度急剧升高,与飞行器物面形成巨大温差,空气中的热能以对流和激波辐射的方式传递给飞行器表面就形成了气动加热。气动加热对飞行器的结构强度及刚度等产生较大影响,必须准确预测飞行器的气动热环境以及结构在气动加热作用下的温度变化特性,为飞行器的气动热分析及热防护设计提供指导和参考。本文对稀薄流域高超声速飞行器的气动热与结构传热问题开展了数值模拟研究。基于稀薄流DSMC气动热数值模拟方法,深入研究了不同气体物面作用模型以及化学反应对气动热的影响,发展了DSMC方法中的高效处理技术,将DSMC数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计了一种可适用于全机外形复杂流场的高超声速稀薄流气动加热耦合计算方法。首先,对分子气体动力学的基本理论以及非结构网格DSMC方法的实现策略展开了研究。从速度分布函数、气体宏观量描述、二体弹性碰撞中的力学机理等方面阐述了稀薄气体动力学理论,细致讨论了非结构网格DSMC方法的基本原理以及实现中的关键技术及计算流程。编写了相应的数值求解程序并通过数值算例对程序进行了验证。其次,研究了不同气体物面作用模型对稀薄流飞行器气动热特性的影响。发展了一种基于辐射平衡的物面温度边界条件并给出了具体构造过程,能够克服恒温物面温度边界条件的自身缺陷并且能够在流场模拟中适时给出更贴近真实情况的物面温度。细致讨论了镜面反射模型、完全漫反射模型以及由镜面反射模型和完全满反射模型组合而成的Maxwell物面反射模型在DSMC方法中实现的关键技术。最后通过数值算例对比并分析了不同温度边界条件以及气体物面反射模型对气动热特性的影响。然后,研究了化学反应对稀薄流飞行器气动热特性的影响。论述了化学反应速率常数以及Bird的唯象化学反应模型,并推导了不同分子碰撞模型下的反应概率表达式。给出了高温空气中的5组元离解、复合及置换反应机理及其在DSMC方法中的实现。在5组元混合气体模型DSMC方法的基础上,进一步发展了11组元混合气体模型DSMC方法,针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入“捆绑法”思想处理电子在流场中的运动,并详细讨论了不同类型电离反应发生的机理。编写了考虑5组元和11组元混合气体模型的DSMC计算程序并采用数值算例对程序进行了验证,在此基础上通过采用不同组元混合气体模型研究了化学反应对稀薄流飞行器气动热特性的影响。接着,针对稀薄流域高超声速飞行器的气动热与结构传热问题,通过引入牛顿冷却定律,将DSMC数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计了一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现了防热层结构材料温度分布特性的数值模拟。最后对发展的稀薄流气动加热耦合计算方法进行了数值模拟,并在此基础上通过数值算例分析讨论了化学反应对受热计算的影响。最后,研究了非结构网格DSMC方法中的高效处理方法。引入碰撞距离的思想,发展了一种自适应碰撞距离的分子碰撞对选取方案,能够在满足计算精度的情况下放宽对DSMC方法对网格尺寸的限制。发展了一种自适应分子时间步长方法,能够加快流场时间发展历程,在不改变计算结果的前提下缩短模拟时间。讨论了基于消息传递库MPI环境非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术,采用并行计算代替了传统串行计算,提高了模拟效率,最后采用具体算例验证了相应的程序。