航天任务的进一步发展,对运载火箭上面级提出了更高的要求。轨道外热流计算是上面级热控系统设计和热分析的基础,目前,国内外热流算法和国外商业软件存在诸多缺陷,严重影响了上面级热控系统的设计及校验。基于此,本文对上面级轨道外热流算法进行了深入研究,完成了如下工作:首先,对上面级应用发展状况和外热流算法研究进展进行了总结,分析了现有方法的不足。而后,对轨道外热流理论进行了系统的研究,以辐射换热理论、蒙特卡洛法、Gebhart法为基础,针对传统外热流角系数概念的不足,重新对外热流角系数进行了定义;为考虑多次反射后外热流的吸收问题,提出了外热流辐射传递因子的概念。其次,系统研究了上面级轨道外热流计算方法。以外热流算法流程为基础,从能束发射模型、轨道及太阳矢量确定、外热流角系数计算方法等方面,阐述了上面级轨道外热流的核心算法。其中,研究了蒙特卡洛法中能束几何特性的表示方法,对上面级常用曲面面元局部坐标系和几何参数进行定义,确定了面元能束发射概率模型,分析了局部坐标系和系统坐标系下能束与面元相交判定方法的优劣,并给出了局部坐标系下的相交判定方法;基于SGP4/SDP4模型给出了考虑摄动后轨道参数、坐标变换矩阵、太阳矢量的确定及地影区的判定方法;对传统蒙特卡洛法计算外热流时存在的问题进行了改进,提高了计算效率,并给出了算法流程;基于Gebhart法研究了外热流辐射传递因子及考虑多次反射后吸收的轨道外热流的计算方法。最后,对上面级外热流算法进行了模块划分,以轨道模块、外热流角系数模块、外热流辐射传递因子模块和外热流模块的设计为基础,实现了上面级轨道外热流求解器。以一简单模型为例进行轨道外热流计算,通过对比本文求解器和商业软件Thermal Desktop的计算结果,分析了轨道摄动、太阳矢量变化、多次反射对轨道外热流的影响,论证了本文算法的先进性及正确性;随后,以一虚拟上面级为例进行轨道外热流计算,通过与Thermal Desktop对比,证实了本文算法能够实现上面级常见曲面的轨道外热流计算要求,具有适用性。