高超声速气动加热问题是制约高超声速飞行器发展的关键因素,减小气动加热和做好热防护设计成为实现飞行器长时间航行亟待解决的关键技术。为了揭示高超声速气固界面能量输运机理,并提出针对气动加热和热防护问题的高效解决方案,本文采用分子动力学模拟和分子碰撞理论研究了高超声速气固界面相互作用的机理和界面能量输运过程的调控方法。实验方面,本文研究了热防护材料中石墨在不同厚度下的热导率以及热导率的调控方法。具体如下:建立了纳米尺度物块在氩气环境中飞行的分子动力学模型,并基于分子碰撞理论推导了物块温升公式,通过理论公式验证了分子动力学模型的准确性。在此基础上,采用分子动力学热流统计公式和经典热流计算公式,讨论了恒温物块驻点热流随截面尺寸和表面几何形状的变化。结果表明在物块尺寸较小时,驻点区域内气体速度分布函数中的高超声速峰的幅值更大,气体携带更多的平动动能,导致驻点热流随物块尺寸的减小而增大。当物块表面改变为半球空腔形状时,驻点区域气体速度分布函数中的高超声速峰幅值会降低,使驻点热流下降16.8%。研究发现驻点区域气体速度分布函数直接由气体原子和固体表面之间的相互作用主导。提出了一种气体原子与飞行器表面相互作用的碰撞过程研究方法,探究气固界面的能量输运机理,系统讨论了气固界面相互作用中的驻点热流和能量适应系数。发现能量适应系数具有明显的尺寸效应,随着物块截面尺寸的增大逐渐减小,并且在截面尺寸大于4?4 nm2时收敛。通过研究不同大气压强下高超声速飞行物块的驻点热流和能量适应系数,发现驻点热流随着大气压的增大呈现对数增大趋势,而能量适应系数几乎不随大气压变化。在此基础上研究了飞行速度由超声速增大到高超声速时,气固界面能量输运效率的变化。结果表明当飞行速度增大时,气体原子与表面碰撞的平均作用时间指数衰减,而平均作用深度线性增大,它们的共同作用使能量适应系数先减小后缓慢增大。在理论分析的基础上,提出针对高超声速飞行时气固界面能量输运的调控方法,包括改变固体原子质量、表面刚度、气固原子LJ作用势参数。分子动力学模拟结果表明,固体原子的声子频谱随原子质量的减小和表面刚度的增大向高频方向移动,远离氩气原子对应的频谱,降低气固界面能量输运效率。比如,固体原子质量减小一半时驻点热流降低14.19%,表面刚度增大1倍时驻点热流减小25%。此外,气固原子作用势中势阱深度的减小和平衡距离的增大可以有效提高氩气原子与表面碰撞后的平均反射动能,从而降低界面处的能量输运效率。发现势阱深度减小四分之三时驻点热流减小20%,平衡距离增大0.5倍时驻点热流减小31.47%。针对石墨基复合材料在热防护系统中的广泛应用,本文利用时域热反射实验方法测量了热防护材料中石墨的热导率随厚度的变化关系,并研究了聚焦离子束和氧等离子体处理方法对石墨热导率的调控。发现石墨和氧等离子体处理的缺陷石墨的法向热导率随着石墨薄片厚度的增大而增大,增大趋势与文献报导结果吻合较好。由聚焦离子束处理得到的缺陷石墨的法向热导率大幅下降,不同厚度下的热导率约为0.45 W/m K。最后,由于石墨层间等效刚度很低,石墨作为表面材料与氩气相互作用时会增大驻点热流。