近年来，新型高超声速近空间飞行器受到了广泛关注，为了增加升力和减少压差阻力，其在设计上采用锐前缘外形和非烧蚀热防护系统，因而对飞行器壁面摩阻和热流的精确预测就愈显重要。壁面剪切和传热不仅与物面形状直接相关，更重要的是在高焓高速时将受到局部稀薄气体效应与非平衡化学反应效应的影响，在此类条件下，尚无完整的理论描述壁面热流率尤其是壁面摩阻分布的一般性规律。因此，本文针对平板和钝头体两种典型的气动外形，在流动特征分析的基础上，探索用以描述高超声速壁面剪切和传热规律的工程理论，开展了以下研究工作:　　1.研究了平板前缘稀薄气体流动中的非Newton剪切和非Fourier传热规律，提出了表征稀薄气体流动的特征参数，对近连续区的壁面摩阻和热流进行了二阶修正，并构造出从连续流到自由分子流的桥函数。在平板前缘附近的稀薄流动中，由于气体分子与壁面碰撞不充分，导致流体的剪切和传热不再满足Newton剪切和Fourier传热定律。本文根据摄动展开的思想，利用Burnett方程中的二阶切应力项和热流项来分析剪切和传热偏离线性本构关系的程度，故而提出了表征平板前缘流动稀薄程度的无量纲量Vrx(由Mach数和Reynolds数组合而成的参数);在近连续区，通过对连续流中的强干扰理论进行修正，获得了用Vrx表述的摩阻和热流系数的二阶修正公式。进一步地，利用Vrx构造了从连续流过渡到自由分子流区间内摩阻和热流的预测桥函数，获得了高超声速平板表面摩阻和热流预测的统一公式。理论分析得到了DSMC结果的验证和确以。　　2.研究了平板和钝头体表面摩阻和热流分布的关系，得到了壁面剪切和传热在一般外形下的线性比拟关系及存在稀薄气体效应时的修正。首先，从上述平板前缘流动的分析中发现，非线性剪切和传热各自对摩阻和热流的相对影响大小近似相等，表明摩阻和热流的比拟关系不受稀薄气体效应影响，可将层流边界层流动中经典的Reynolds比拟关系推广至稀薄气体流动领域，得到摩阻与热流系数之比(Cf/Ch)在平板表面的分布为常数的结论。其次，对钝头体表面的当地自相似边界层流动进行了理论模化分析，得到了壁面剪切和传热的线性比拟关系，即Cf/Ch与当地壁面倾斜角θ成正比。该结论对圆柱、圆球以及部分幂次体等多种外形都成立。结果还表明平板中的Reynolds比拟是线性比拟关系在θ=90°时的一种特例。最后，针对具有局部稀薄流动的情形，对钝头体表面的非Newton剪切和非Fourier传热进行了理论模化分析，提出了表征比拟关系受稀薄气体效应影响的非线性修正，构造了稀薄过渡流动领域Cf/Ch分布的预测桥函数。理论分析得到了DSMC结果的验证和确认。　　3.初步探索了非平衡化学反应下钝头体表面摩阻和传热分布的关系，得到了广义Reynolds比拟关系。首先，改进并完善了边界层剪切和传热的广义模型，用于描述非平衡“离解-复合”化学反应下，钝头体驻点及下游的动量传递和能量传递规律。其次，针对高超声速氮气的圆柱绕流，在理想离解气体模型下，对驻点下游的化学反应流动进行了理论模化分析，并在此基础上得到了壁面摩阻和热流分布受离解以及复合化学反应的影响，结合DSMC计算结果，给出了相应的预测公式。最后，结合对摩阻和热流各自的分析，得到了Cf/Ch受非平衡化学反应的影响。综合以上研究，本论文给出了适用范围涵盖平板及钝头体外形、连续及稀薄流动领域、非平衡化学反应流的壁面剪切和传热的广义Reynolds比拟关系。