高超声速飞行器具有快速反应能力、精准打击能力、作战空间广阔、作战突防能力等军事战略优势,它是航空航天的一个重要发展方向,在未来国防安全中担任着重要角色。当飞行器在大气中高速飞行时,一方面遭受空气的极大阻力,另一方面引起了前方空气的猛烈压缩和附近空气剧烈的摩擦,巨大的热能由动能转变而来,使得飞行器表面和附近空气的温度迅速升高。产生的高温直接影响飞行器的结构强度和内部设备的正常工作,因此精准预测飞行器的气动热环境成为飞行器设计的重要研究工作。全文基于计算流体力学CFD理论与ANSYS仿真软件进行研究,运用ANSYS FLUENT软件计算获得模型外流场的温度、压力、密度、速度等物理参数的分布,选取ANSYS中的Steady-State、Static-Structural模块与FLUENT建立接口,将流场结果导入进行耦合模拟计算,获得结构场的物理参数分布。本课题围绕两个经典算例(二维圆管和三维球头钝锥)进行研究,通过模拟结果与参考文献中数据对比,验证了计算方法的可靠性。以二维圆管为例,建立了完整的气动热计算方法,基于模型外流场的计算结果,进一步研究了气动热对结构特性的影响。针对二维圆管模型的局限性,对于流场刻画能力不如三维模型,直观的三维图有助于复杂流场的研究,又以三维球头钝锥为例进行更深一步的研究。重点分析了不同飞行速度、飞行高度、飞行攻角对气动热环境的影响,基于模型计算结果与文献实验数据对比,进一步研究了气动热对三维结构特性的影响,对模型的温度场特性和结构场特性进行了深入研究。本文应用ANSYS仿真模拟软件,建立完整的气动热耦合模拟计算方法,完成对高超声飞行器的热环境进行了仿真模拟研究,计算结果均得到验证,计算方法高效、准确、可靠。该研究成果为飞行器的结构设计和热防护设计提供了一定的理论基础和数据支撑。