随着航空航天技术的发展，可重复使用的空天飞行器已成为空天运输系统的研究热点，具有重要的战略意义，是未来航空航天技术的制高点。空天飞行器在高超声速飞行尤其是再入过程中，必然产生严重的气动加热，因此热防护系统成为空天飞行器的关键技术之一。新型的热防护系统采用了热—结构一体化设计，热结构同时承受热载荷和机械载荷，提高了材料利用率，减轻了结构重量。本文以新型空天飞行器Orbiter Salvor及其热防护系统为研究对象，对Orbiter Salvor进行了总体方案和一体化热防护系统方案设计，并对热防护系统的典型构件进行了热力分析、计算和参数优化。皱褶结构是一体化主动冷却系统的核心部分，应用ANSYS软件建立二维稳态的流—热耦合分析模型，得到了不同的结构参数和流动参数下皱褶结构管路的对流换热特性；进一步建立三维模型进行流—热—固耦合分析，得到皱褶结构的三维对流换热特性和热力学特性。在皱褶结构对流换热性研究的基础上，建立皱褶夹层板的三维热力分析模型，分析了结构参数和温度对结构性能的影响，并进行了参数优化。针对一体化防热底板中桁架结构的复合材料薄壁杆件，分析了铺层角对主方向应力、失效因子和稳定性的影响，最后研究了空间桁架结构在热力载荷下的承力特性，并对桁架的主承力杆件进行了尺寸优化设计。本文进行了新型空天飞行器方案设计，研究分析了一些热防护系统关键部件热力载荷下的热力学特性，为今后的空天飞行器及其热防护系统设计提供参考。