空氣動力學的一個分支。研究高溫氣體或氣體成分變化時的流動和氣體與物體的相互作用。它是高超音速飛行器和發動機氣動設計、防熱設計的重要理論基礎。空氣動力學在傳統上研究氣體的熱力學狀態和與海平面標準大氣條件相差不多的流動。這時氣體的壓力、溫度和密度的關係遵循完全氣體狀態方程，氣體的其他性質如比熱、粘性、導熱率等都假定為常數。而在氣動熱力學中，它們不再是常數，在許多情況下作為單一完全氣體狀態方程已不再適用。氣體的流動性質依賴於它的溫度和成分，在分析高溫或氣體成分有有變化的流動時，須同時考慮熱力和動力現象。氣動熱力學是發展中的邊緣學科，它把空氣動力學與熱力學、物理力學、化學動力學和電磁學結合起來。
高速邊界層的傳熱和傳質 高速運動的氣流在邊界層內被物體滯留，氣體動能轉化為熱能，被減速的部分氣體溫度劇增到遠高於物面溫度值，因而熱量傳入物體。除氣流速度外，氣流成分和化學狀態、物體的形狀、材料和表面光滑程度、邊界層流態和質量傳遞都會影響邊界層傳熱。一般來說，湍流熱流比層流熱流大得多，粗糙表面的熱流也比光滑表面大。再入大氣層的飛行器表面和火箭發動機內壁，常采用燒蝕或發汗冷卻等防熱方法（見燒蝕防熱）。在惡劣天氣條件下，再入彈頭的天氣侵蝕和固體火箭發動機噴管中流動，還涉及兩相流中復雜的傳熱傳質問題。
燒蝕與流場的耦合影響 燒蝕、侵蝕引起的外形變化和質量註入邊界層，都會影響再入彈頭的氣動性能，特別是由不對稱端頭外形產生的小的不對稱氣動力和彈頭加工造成的質量和慣量的不對稱，合在一起可能導致彈頭發生滾動共振，由於迎角劇增而毀壞，或發生滾速過零造成較大的落點散佈。在確定燒蝕外形時還需要考慮激波形狀、壓力分佈、邊界層轉捩、表面粗糙度和質量註入等因素。
真實氣體效應 在室溫下氣體分子隻能進行平移和轉動運動，隨著溫度增加，開始出現振動，最後分子內部的約束被破壞而分解，而在更高的溫度下將出現電離現象。這些過程從發生到新的平衡以及組元之間的化學反應，都需要一定的時間，稱為松弛時間。根據氣體運動的宏觀特征時間與松弛時間之比的三種情況（很大、接近於1和很小），可將流動分成平衡流動、非平衡流動和凍結流動。對於凍結流動氣體的特性與完全氣體一樣。非完全氣體的狀態參數可根據物理力學進行計算，對於平衡狀態的熱力學參數，已有不少可用的氣體熱力性質表。對於非平衡流動，必須計及全部可能的組元，因而與一切可能的化學過程和起主導作用的反應速率有關。真實氣體效應不僅對傳熱有顯著的影響，而且對於具有復雜外形的航天飛機的俯仰力矩也有明顯的影響。另外，在高溫運行的風洞氣流中，也常出現非平衡流動。
電磁效應 氣體分子在高溫下被電離成等離子體，在再入飛行器周圍形成等離子鞘套。當電磁波的頻率小於等離子體頻率時，電磁波被界面反射而不能穿過，從而出現通信中斷現象，稱為黑障。已經證實，燒蝕產物將增加鞘套中的電子密度。所以必須在氣動外形和材料等方面采取有效的措施以降低電子密度。為瞭有效地識別和跟蹤再入飛行器，必須研究等離子鞘套和尾跡的電磁特性及其對雷達波傳播的影響。其中，要確定的最重要的參數是電子密度值和碰撞頻率隨時間和向後距離的衰減速率。
輻射效應 進入其他行星大氣層的飛行器的飛行速度很高，如木星探測器的速度高達48公裡/秒，因而在高溫氣體的傳熱中輻射傳熱成為主要的因素。其他行星的大氣組成與地球完全不同，如金星、火星的大氣大部分都是二氧化碳。氣體組成的變化對於對流傳熱的影響不大，但對輻射傳熱的影響卻很大。輻射性能的基本數據，已能在激波管實驗的基礎上根據分子和原子的光譜數據和物理模型計算出來，然後再根據這些數據和氣體的成分及狀態參數估算出輻射傳熱。
發動機氣動熱力學 對於噴氣發動機，氣動熱力學需要解決的問題是：由高溫氣體分解而引起的進氣道能量損失；高溫葉柵繞流和對葉片的傳熱；燃料和氧化劑的擴散和混合；具有復雜化學反應和高湍流度的燃燒火焰的穩定性；具有燃燒產物的高溫高壓氣體在噴管中膨脹過程的效率；高溫氣體對噴管特別是喉道附近的傳熱。
氣動熱力學的研究，在理論上可以利用計算機求解邊界層方程或精確的和各種簡化的納維爾－斯托克斯方程（見計算空氣動力學），但在解決實際問題時也經常采用工程計算方法和關聯實驗數據的經驗公式。在實驗方面，可以綜合使用高超音速風洞、激波管和激波風洞、彈道靶、電弧加熱設備和燃氣流裝置等進行地面模擬試驗（見超高速實驗設備），並在這一基礎上配合進行必要的飛行試驗。
參考書目
多蘭斯著，張仲寅譯：《高超聲速粘流》，國防工業出版社，北京，1966。（W. H. Dorrence，Viscous Hypersonic Flow，McGraw-Hill，New York，1962.)
維塞特、小克魯格著，《物理氣體動力學引論》翻譯組譯：《物理氣體動力學引論》，科學出版社，北京，1978。(W.G.Vincenti，G.H.Kruger，Jr.，Introduction to Physical Gas Dynamics，John Wiley，New York，1965.)