目前，航空航天领域比较关注近空间高超声速巡航飞行器的研制。这类飞行器为了追求高升阻比、高机动性和高飞行控制精度，普遍采用尖头薄翼的尖化前缘外形，其气动热防护体系设计对传统理论和技术方法提出很大挑战。其中首先遇到并亟需解决的核心问题，就是如何准确预测新型飞行器尖化前缘的气动加热量。　　 从流动和传热特征来说，目前问题的特点是高速、高温、高黏性、局部稀薄和热化学非平衡，因而局部稀薄气体效应、非平衡真实气体效应以及两者耦合作用比较显著。这些效应都属于当前流体力学和物理学研究领域所关注的典型的非平衡和非线性现象。对于这些复杂的物理现象，理论上尚缺乏成熟可靠的研究方法，工程中则过度地依赖于拟合经验公式或者数值模拟手段。虽然依靠经验或数值方法能够解决一些实际问题，但是无法建立相应的理论体系，也难于深入理解物理问题的本质。因此，有必要深入分析目前问题中的流动机理，抓住主要矛盾进行模型理论分析，建立起尖化前缘气动加热受稀薄气体效应和非平衡真实气体效应耦合作用的工程理论。　　 从流动物理上分析，该问题中存在三个时间特征尺度，分别是流动特征时间τf、微观分子碰撞特征时间τc和化学反应特征时间τr，因而可定义两个无量纲特征参数τc/τf和τr/τf，来分别表征稀薄气体效应和化学非平衡效应的强弱。我们需要寻找这两个特征参数与真实流动条件的具体关系，并研究其对尖化前缘气动加热产生影响的物理机制。　　 基于这一理念，我们分别研究了目前流动中稀薄气体效应和非平衡真实气体效应的具体表现，建立合适的模型理论来描述其影响机理，并与相应的数值模拟和实验手段相结合，最终形成数学化的工程理论。具体来说，本论文主要开展了如下几方面的工作：　　 一、研究了高超声尖化前缘气动加热特性随流动稀薄程度变化的规律，得到一个具有物理意义并在气动加热领域普适的稀薄流动判据，并构建了适用于工程快速估算的热流预测桥函数公式。首先，在尖化前缘驻点附近建立了简化的物理模型，通过分析发现，随着稀薄程度提高，流动和传热中非线性因素的影响逐渐增强。因而把Boltzmann方程二阶摄动展开，即Burnett方程的热流表达式中non-Fourier项与Fourier项之比值定义为一个流动特征参数Wr，来表征流动和传热中非线性因素的相对影响大小，并在驻点附近区域得到了其解析表达式。其次，通过气动加热特征和流场结构特征演变规律的联合对比分析，发现参数Wr衡量了稀薄气体效应的强弱程度，就是当前问题中具体化了的τc/τf，因而可以当作一个具有物理意义并在气动加热领域普适的稀薄流动判据。最后，根据稀薄流动判据Wr对从连续到稀薄的流动领域进行了划分，构建了计入稀薄气体效应的热流预测桥函数公式，并对相关的物理机制进行了阐述。该理论分析结果的合理性和可靠性得到了本论文DSMC数值计算和相关实验数据的系统验证。　　 二、研究了正激波后的化学非平衡流动特征，建立了激波后非平衡流动参数与激波前自由来流参数的显式解析关系，丰富了这一经典问题的理论框架体系。首先，采用Lighthill-Freeman的理想离解气体模型，并结合基于分子运动论的离解-复合反应速率方程，对目前的化学非平衡流动问题进行了模型化描述。其次，通过合理的物理分析和近似的数学求解，得到了正激波后平衡离解度和非平衡特征尺度的显式解析表达式，以及非平衡过渡过程的归一化描述方法，因而把正激波后非平衡流动特征与激波前自由来流参数建立了直接联系。最后，采用本论文DSMC数值模拟结果和其他相关计算与实验结果对理论分析结果进行了对比验证，证明其在相当大实用范围内是合理有效的。　　 三、研究了高超声速尖化前缘驻点线上的化学非平衡流动特征，着重讨论了非平衡化学反应对气动加热影响的物理机制，并构建了相应的驻点热流预测桥函数公式。首先，基于合理的物理分析和假设，把问题分解为边界层之外的离解非平衡流动和边界层之内的复合非平衡流动。其次，采用激波映射法，把前缘驻点边界层外、头激波后的驻点线流动与正激波后的流动建立了确定的映射关系，然后利用正激波问题的结论来直接预测边界层外缘的非平衡流动状态，该状态与流动稀薄程度相关。然后，在驻点边界层内，把化学反应速率方程中的复合反应源项与扩散项之比值定义为一个流动特征参数Zr，它表征了边界层内非平衡化学反应的相对影响大小，是当前问题中具体化了的τr/τf，可作为一个具有物理意义的化学非平衡流动判据。最后，根据驻点边界层外缘状态参数和边界层内化学非平衡程度，构建了计入非平衡真实气体效应的热流预测桥函数公式。经过对该桥函数进行参数分析，发现了非平衡真实气体流动4个独立的相似参数。DSMC数值模拟结果验证了这些理论分析的合理性。　　 四、综合上述研究结果，讨论了稀薄气体效应和非平衡真实气体效应的耦合作用对尖前缘气动加热的影响。分析发现，流动稀薄程度不但直接影响化学反应速率，而且间接地影响到驻点附近流动和传热的特征。具体表现为：在计入非平衡真实气体效应影响的桥函数中，包含了稀薄流动判据Wr的非线性的影响。由于最终的驻点热流预测桥函数是上述两种桥函数的乘积形式，这表明在尖化前缘气动加热问题中，Wr对两种桥函数都起作用，也就是说，稀薄气体效应和非平衡真实气体效应并不是简单叠加的，而是存在耦合的。