大面积防热复合结构在航天航空领域应用广泛,其创新结构设计是关键技术之一。航天飞行器的工作条件要求热防护材料与结构同时具备轻质,隔热,抗撞承载的特点,因此复合热防护材料与结构正在朝着一体化的方向发展。根据热防护材料的承载、隔热一体化的需求,本文提出了一种轻质多功能一体化复合热防护材料与结构的设计方案。以一体化多层复合防热材料在航天器再入过程中的传热为研究对象,引入大面积复合防热材料的一维传热假设,依照航天器再入大气层的温度条件,建立了复合防热材料一维非稳态传热的物理模型和封闭的控制方程,使用差分方法求解方程,进行一维非稳态的传热分析,并由有限元ABAQUS的传热分析进行验证。得到了航天器再入大气过程中多层复合防热材料的各层温度分布情况,提出了在满足一定的热约束要求的条件下,以轻质多功能一体化复合热防护材料的总重量为目标函数的优化设计方法,得到了复合多层材料的最优结构几何参数。