相变材料能够在保持温度基本不变的条件下,吸收或释放大量的潜热,实现短时高发热功率期间的冷却,或实现大波动热环境的温度控制。因此,相变换热对在极为苛刻的热力环境下服役的航空航天结构设计意义重大。然而,常用的相变材料（如石蜡）导热系数低,会造成局部温度梯度过大,从而丧失温控效果。本文主要从两个方面开展工作:一是针对在未来极具应用潜力的一体化热防护系统,给出了融入相变材料的设计方案,探讨了相变材料的隔热效果;二是以提升相变材料内部的传热能力为设计目标,建立了相变材料导热增强体的拓扑优化方法,以充分发挥相变材料的温控能力。具体的研究内容如下:1)含相变材料的一体化热防护结构设计与优化。一体化热防护结构将热防护层与承载结构综合于一体,不仅可以节约空间,同时可以实现大幅度减重,是一种极具应用潜力的设计方案。然而,由于高承载能力的材料具有高导热系数,导致该设计存在严重的热短路效应,并且结构在热力载荷作用下也容易发生局部屈曲失效。为此,本文提出了含有相变材料的一体化热防护结构设计方案,在内部增加一薄层相变材料,用于吸收传入的热量,从而降低内部温度,并通过腹板的波纹板夹芯结构设计,在不增加结构重量的同时,提升了结构的承载能力。通过数值仿真方法,计算了新方案的性能。结果表明:含相变材料的多层级一体化热防护结构设计,对比原结构具有更好的隔热和承载能力。2)相变材料导热增强体的拓扑优化设计方法。通过在相变材料内部植入高导热材料,是提升相变材料内部传热能力的主要方式。目前,常用的导热增强体主要包括金属翅片类、泡沫类、点阵类等多种形式,不同导热增强体的结构形式对其性能提升有显著影响。为此,文本研究建立相变材料导热增强体的拓扑优化设计方法,以寻找最佳的高导热路径,充分发挥相变材料的能力。在实现过程中,采用了具有光滑化的近似函数描述热容,以避免阶跃函数对优化过程带来的数值不稳定性;为采用梯度优化方法,通过伴随法推导了设计目标的解析敏度表达式。讨论不同的设计参数对拓扑优化结果的影响,与现有瞬态热传导结构拓扑优化模型的计算结果对比。结果表明:本文提出的设计方法能够有效获得高性能的导热增强体结构构型设计,而基于现有瞬态热传导拓扑优化方法无法获得,从而证实了本文提出的方法是非常必要的。