随着科技的发展,现代战争的形态发生了转变,导弹作为最重要的战略武器,人们对它的要求越来越高。随着导弹技术的发展,导弹的速度越来越快,弹道越来越高,逐渐脱离了连续流域。这时,空气的稀薄效应严重,连续流方程也不再成立,从而导致经典气体动力学的失效。直接模拟蒙特卡洛方法(Direct Simulation Monte Carlo method,DSMC)的出现解决了这一困境,DSMC方法绕开对Boltzmann方程的求解,对流场进行直接模拟,取得了相当大的成功。本文利用DSMC方法对稀薄流场进行了计算和分析,根据平板摩阻和热流的比拟关系,加以形状修正,压缩修正等技术,发展了一种新的稀薄流域气动热工程算法,以快速得到稀薄流域高超声速弹丸的气动热,为高超声速弹丸热防护提供技术支持。首先,对DSMC方法的基础理论——分子动力学理论进行深入研究。阐述速度分布函数的推导以及分子二元碰撞的碰撞机理,对不同分子碰撞模型加以研究和讨论,简单介绍了各种碰撞模型的原理和优缺点,为后文对DSMC方法的应用打下基础。其次,基于非结构网格技术开展了DSMC方法研究并进行了程序编制。深入分析了DSMC方法的各项关键技术的具体实现,例如分子搜索技术、分子中碰撞对的取样、物面反射模型的实现、碰撞过程的能量交换等,并给出DSMC方法的计算流程。接下来,利用DSMC方法开展了过渡区平板绕流问题的计算与分析,研究不同高度、不同来流马赫数对平板流场的影响,着重对平板摩阻系数进行了分析和总结,给出不同高度、不同来流马赫数下平板的局部摩阻系数分布拟合公式,并与DSMC计算结果进行比较验证。最后,对不同流场的摩阻和热流密度进行分析,发现在马赫数较大的情况下,稀薄流域的摩阻和热流密度存在一定的比拟关系。同时使用DSMC计算程序对不同半锥角的圆锥母线型弹头流场进行数值模拟,利用“相当平板”的思想,给出不同半锥角的弹头摩阻系数的修正公式。结合摩阻与热流的比拟关系和弹头摩阻的计算公式,发展出了新的稀薄流域高超声速弹头气动热工程算法,并将工程算法计算结果与DSMC计算结果进行比较,验证了工程算法的准确性。