高超声速飞行器在飞行(≥6Ma)过程中面临严峻的外部环境:包括很高的温度和温度冲击、很高的气动载荷和噪声载荷、强烈的振动等。热防护系统对于飞行器的总体设计方案和性能具有举足轻重的地位。与陶瓷热防护系统相比,金属热防护系统具有很多无法比拟的优点。本文将具有高效冷却作用的喷雾冷却技术引入到热防护系统的设计中,从原理上构建了一种新型的金属热防护系统方案,讨论了该方案的可行性,并进行了一些相关技术的探索研究。本文第三章分析了热防护系统的总体设计方法,给出了防热结构的总体设计流程图。对热防护系统的传热过程进行适当的简化,建立了传热基本方程,给出了其离散格式。并以防热结构的总厚度为主要设计变量,通过数值计算,得出厚度与热防护系统边界条件(温度边界、热流密度边界)的关系曲线。第四章,对本文方案的关键传热元件之一的高温热管进行了设计,确定了其使用材料、吸液芯类型和主要尺寸,并对毛细限、声速限、携带限进行了校核,结果表明其能满足使用要求;最后,对接触热阻这一影响热防护系统性能的重要因素,进行了初步的探索研究。在深入了解已有研究成果的基础上,结合接触理论及分形理论,对现有一些理论模型的不足之处进行了修正,建立了一种新的基于弹塑性理论的分形接触热网络模型。仿真结果表明,该新模型由于充分其考虑了接触面的变形情况,能较好地预测界面接触热导。