随着我国航空航天技术的快速发展,高超声速飞行器的外壳及发动机燃烧室所承受的热流密度越来越高。发汗冷却作为一种高效的主动热防护方式受到了广泛的关注。开展高温与超声速条件下单相及相变发汗冷却规律的研究对于高超声速飞行器关键高温部件的热防护具有重要意义。已有的发汗冷却研究仍然存在一些不足:前缘区域的发汗冷却效率低下;相变发汗冷却的基本规律尚不清晰,并且存在冷却流体输运和流量控制的难题;同时,发汗冷却多孔材料的强度有待进一步的改进。本文围绕以上研究的不足及难题开展了系统的研究。为了提高前缘区域的冷却效率,研究了超燃冲压发动机中支板的发汗和气膜组合冷却以及发汗和逆喷组合冷却的效果及基本规律。发汗和气膜组合冷却对于超声速主流中的激波分布的影响较小,而发汗和逆喷组合冷却对于激波分布有显著的影响。单纯的发汗冷却难以对支板的前缘区域进行高效的冷却。发汗和气膜组合冷却的冷却效率比单一的发汗冷却效率更高。发汗和逆喷组合冷却结合非均匀的注入方式使得支板的冷却效率提高,支板前缘区域被充分冷却。为了探索相变发汗冷却的基本规律,在高温风洞中研究了注入率和颗粒直径对于烧结多孔平板相变发汗冷却的影响规律。实验中发现了相变发汗冷却的非稳定迟滞和振荡现象,并揭示了其机理。迟滞时间随着注入率的增加或颗粒直径的减小而减小。振荡幅度随着注入率的减小或颗粒直径的增大而减小,振荡周期随着注入率的减小或颗粒直径的减小而减小。为了解决相变发汗冷却中冷却流体输运和流量控制的难题,提出了可重复使用的仿生树木蒸腾作用自抽吸及自适应发汗冷却方法,研究了自抽吸外部发汗冷却和自抽吸内部发汗冷却。实验研究了自抽吸和自适应效果,并通过理论分析揭示了自抽吸及自适应发汗冷却的机理,为实际应用中相变发汗冷却的冷却水输送及精准控制的难题提供了新的解决思路。为了改进发汗冷却多孔材料的力学性能,通过金属3D打印技术设计并制造了带有加强筋的多孔平板。研究结果表明带有加强筋的多孔平板拥有较高的发汗冷却效率,同时力学性能得到了显著的提升。文中也通过实验和数值模拟方法研究并揭示了冷却流体注入角度对于发汗冷却效率的影响规律和机理。设计并制造了基于3D打印的一体化发汗冷却模块,研究了其仿生自抽吸相变发汗冷却效果。