随着高超声速飞行器的快速发展,热防护结构成为了目前国内外研究领域的热点。本文基于典型的热防护结构,进行了传热反问题的理论研究和实验验证。首先在非线性热传导控制方程中引入基尔霍夫变换,并利用隐式有限差分方法建立了传热正问题的数值求解方法。考虑多种边界条件将数值解与有限元软件ABAQUS仿真结果进行比较,验证了传热正问题数值计算方法的有效性。其次基于Levenberg-Marquardt(L-M)算法,提出一种改进的分段辨识方案:先假设初值随温度线性变换进行反演,然后将其作为初值对分段的材料参数再进行反演。通过算例在计算精度、计算时间、初始值和测量误差对反演结果影响四个方面与初值设定为固定值的方案进行对比,讨论了两种方案的优缺点。随后设计高温加热实验,对隔热瓦随温度变化的热物理参数进行反演。利用实验测得的温度历程,辨识了隔热瓦的导热系数和比热容,并与仪器测定的参考值进行对比。结果表明,反演结果在合理的误差范围内。然后提出了基于材料参数各向异性的三维结构,结合Isight软件进行反演的方案。通过ABAQUS进行传热正问题的求解,利用L-M算法进行待辨识参数的修正,并用算例验证。结果表明该方法能够有效识别材料参数。最后,将传热反问题方法应用到隔热瓦粘接状态识别上,利用蒙皮下表面传感器测得的温度历程,通过L-M反演算法得到粘接层热流密度随时间的变化规律。通过粘接层的三种状态:完好粘接层、角上1/3粘接缺陷及中间1/3粘接缺陷,来进行热流反演,有效地识别了隔热瓦的粘接状态。