热防护系统是高超声速飞行器重要子系统之一。热防护系统因制造误差、材料分散性以及气动热不确定性等因素使得其热响应具有很强的随机性,给工程设计和可靠性评估带来巨大的挑战。其中,气动热不确定性表现在时间历程上是一个随机过程,很难通过传统的基于随机变量的方法构建代理模型,迫切的需要寻找新的代理模型构建方法,适用于对考虑气动热不确定性的热防护系统进行概率特性分析。因此,本文基于随机过程的级数分解构建瞬态热传导分析的高精度代理模型,重点研究了热防护系统考虑热流不确定性的概率特性及可靠性评估方法。在随机过程级数展开方面,本文重点介绍了Karhumen-Loeve(K-L)级数展开方法以及正交级数展开(OSE)方法的理论基础,并用数值算例对两种方法进行误差分析,并研究两种方法的计算效率。算例表明,两种方法均能较好的描述原随机场,K-L级数展开方法比OSE方法更能准确描述原始随机场,但是OSE方法在计算效率上更有优势。在构建基于随机过程的代理模型方面,本文介绍了基于随机过程的代理模型构建策略,并通过数值算例论证该方法的可行性,在此基础上对该近似模型的误差进行了分析。算例表明,利用级数展开方法构建基于随机过程的代理模型方法具有较好的近似精度;保留阶数的增多会导致代理模型精度及效率下降,因此在保证级数展开方法描述随机过程的精度条件下尽可保留较少的阶数来构建代理模型。在研究热防护系统随机激励下概率特性及可靠性评估方法方面,本文首先验证了前面构建的代理模型方法求解瞬态热传导问题具有较高的精度,利用该代理模型方法对热防护系统进行了概率特性分析以及可靠性评估,研究表明通过对几何尺寸优化或控制热流分散性可以提高热防护系统的热可靠度。