对于高超声速飞行器和可重复使用运载火箭来说,隔热、承载、维型一体化的热防护结构是保证飞行器安全飞行的重要系统。为了提高飞行器的机动性,实现大推重比和长航程,热防护结构的轻量化设计变得尤为重要;而围绕新型轻量化结构涉及的诸多热、力学问题有待进一步研究。沙漏型点阵因其优异的芯杆抗弯曲性能、面板局部抗屈曲性能和抗爆炸冲击等力学性能,成为近年来的研究热点,其内部空腔为结构多功能化、集成化提供了发展空间。基于此,本文研究了沙漏型点阵的平压性能、剪切性能和传热特性,加筋沙漏型点阵的面外压缩、面内压缩和热变形行为,以及以加筋沙漏型点阵为承载骨架的多功能结构的承载性能和热性能,为设计新型多功能一体化结构提供了参考。提出了一种拓扑强化和材料强化相结合的方法制备铝合金点阵结构,解决了薄面板点阵结构制备的瓶颈问题。推导了适合铝合金沙漏型点阵结构力学性能的理论预报公式,开展了三种不同相对密度、两种热处理状态的面外压缩实验和面内剪切实验。结果表明:强化处理可以有效提高铝合金沙漏型点阵结构的力学性能,与焊后件相比,芯子相对密度为1.72%、2.92%和4.59%的点阵结构的平压强度和剪切强度分别提升了1.1～2.06倍和0.81～1.3倍。通过有限元模拟和理论预报研究了恒定温度载荷条件下,沙漏型点阵结构的等效热导率,并与其它几种典型轻质结构进行对比。研究了芯杆厚度tc、芯杆倾角ω和芯子高度h对结构抗热变形能力的影响。研究发现:沙漏型点阵结构抵抗热变形的能力明显优于其他几种构型,而加筋处理可以明显提升结构抵抗热变形的能力。设计并制备了三种相对密度的加筋沙漏型点阵结构,研究了该结构在压缩载荷作用下的力学行为和吸能特性。研究了非均匀升温条件下,芯杆倾角ω、芯杆厚度tc及加筋条厚度tg对加筋沙漏型点阵结构的热变形的影响。最后,建立了多层加筋沙漏型点阵结构的力学和热学等效模型,推导了该结构的芯子相对密度、弹性模量以及不同方向上的等效热导率。研究表明:加筋沙漏型点阵的压缩峰值分别是沙漏型点阵结构和金字塔型点阵结构的1.14倍和5.3倍。随着芯杆倾角、芯杆厚度、加筋条厚度的增加,结构的热变形减小,Y方向上对变形的抵抗能力倍最大。基于加筋沙漏型点阵结构的基本力学性能研究和传热性能研究,以飞行器典型部件-燃料储箱为研究对象,进行多功能一体化设计。为减少输入热流,满足多层温控,对结构进行分层设计。根据服役环境要求,研究管路尺寸及管路间距等因素对传热性能影响,评估结构的热控性能;通过仿真分析研究在力学载荷和热载荷条件下结构的强度、变形及热性能。研究发现:方管比圆管有利于结构的传热;对于多功能结构达到使用上限温度（140℃）所需对流换热系数来说,管路内径尺寸对其影响明显,而管路外径对其影响甚小;管路间距不超70mm时,可以将结构温差控制在10℃内,约为传统多功能结构温差的1/4。