空间环境随着人类太空活动的增多而日益恶化，在轨运行的航天器受到空间碎片和微流星体高速撞击的威胁也不断增大，迫切需要开展航天器防护结构抵御空间碎片和微流星体撞击特性研究。目前，人们往往采用铝合金球形弹丸来模拟空间碎片开展地面高速撞击实验。对于微流星体，由于其物性复杂，撞击特性难以掌握，一般借用模拟空间碎片的铝合金弹丸撞击防护结构损伤特性数据开展微流星体撞击风险评估并进行防护结构设计，这将可能导致“过设计”或“欠设计”。随着载人航天尤其是深空探测事业的发展，微流星体已成为航天活动不可忽略的重要风险因素，迫切需要研究典型微流星体高速撞击航天器防护结构的损伤破坏效应。基于以上背景，针对微流星体高速撞击航天器防护结构的损伤破坏效应问题开展了探索性研究工作。系统地研究了微流星体模拟材料选择原则、弹丸制作技术、弹丸高速撞击实验技术、仿真验证等问题，分别选取高脆性高熔点、高脆性低熔点、多孔脆性等典型材料制作模拟弹丸，开展微流星体高速撞击航天器防护结构损伤破坏效应的地面模拟实验与数值仿真研究，获得了一些基础数据，可以为航天器防护结构设计和风险评估提供技术支撑。主要研究内容如下：首先，在微流星体物性特性分析基础上，提出了模拟微流星体弹丸材料的选择原则及其弹丸制备方法。根据微流星体化学组成成份及其物理力学特性已有研究成果，针对高脆性高熔点、高脆性低熔点、多孔脆性等三种典型物性微流星体进行研究，提出了用金刚石材料弹丸模拟高脆性高熔点微流星体，用火山岩或硅酸盐质材料模拟多孔脆性微流星体，用冰质材料模拟低熔点高脆性微流星体的研究方案，并研究弹丸制备方法。针对微流星体具有形状不规则、易破碎、易融化等特点，从弹托设计、垫片选择、制冷装置配备等方面研究不同特点弹丸的高速撞击实验弹丸发射技术。高脆性高熔点微流星体弹丸硬度高，打磨难度大，制作成的弹丸往往具有不规则形状，提出设计内喇叭状的弹托以确保不规则的高脆性高熔点微流星体弹丸高速撞击靶板，并取得成功；多孔脆性微流星体弹丸承受发射过程产生的冲击波时极易发生破碎，在弹丸和弹托之间加入一种EVA橡胶阻抗材料垫片，可确保弹丸在发射过程中不会提前发生破碎，保障其着靶前的完整性；高脆性低熔点微流星体弹丸采用模具注水的方式制作，由于具有在常温下易融化的特点，采用加装专用制冷设备的方式来确保低熔点冰弹丸发射成功。地面实验表明，三种高速撞击实验技术是可行、有效的。研究了高脆性高熔点微流星体对航天器Whipple防护结构的撞击特性，并与空间碎片高速撞击损伤效应进行对比分析。选取金刚石颗粒制作的微流星体弹丸，开展了9次地面模拟实验，分析了4组典型数据，获得了高脆性高熔点微流星体高速撞击Whipple防护结构的损伤效应，根据弹丸在一定速度下会产生石墨化现象，提出了中低速、高速下防护此类微流星体撞击的设计重点。结果表明，随着撞击速度的不断增大，后靶板的高温高压效应也越大，导致金刚石弹丸从完全的金刚石成份过渡到金刚石石墨混合成份再过渡到完全的石墨成份，并得出了碳质微流星体石墨化现象是区别高熔点高脆性微流星体与空间碎片损伤效应的主要原因；通过损伤效应分析得出，如果采用等质量和等尺寸的铝合金弹丸对高脆性高熔点的微流星体进行风险评估，可推测出防护结构是欠设计的。针对微流星体存在不同矿物质成份的特点，通过地面实验和数值仿真研究了多孔脆性微流星体高速撞击航天器Whipple防护结构的损伤破坏问题。采用天然的火山岩和人工制备的硅酸盐质弹丸，分别开展了7次和11次高速撞击实验，选取5组和6组典型实验结果进行分析，获得了在不同撞击速度下多孔脆性微流星体对防护结构的撞击损伤效应，并通过仿真分析了损伤规律，得到了此类微流星体的撞击损伤效应比同速同质的空间碎片模拟弹丸铝合金要小的结论。结果表明，由于火山岩和硅酸盐质弹丸具有多孔脆性特性，在撞击前靶板后，弹丸破碎程度高，形成的碎片云也很均匀分散，从而削弱了对后靶板的撞击损伤效应，相比同质量铝弹丸而言，其撞击损伤效应要弱；分析表明如果采用等直径的铝合金弹丸对多孔脆性微流星体进行风险评估，可以认为防护结构是过设计的。最后，针对微流星体的主要来源彗星中存在大量固态冰的现象，对高脆性低熔点微流星体弹丸高速撞击航天器Whipple防护结构的损伤特性进行了研究。采用低温环境中制备的冰弹丸模拟高脆性低熔点微流星体，开展了12次高速撞击实验，选取5个典型结果进行分析，得到了在高脆性低熔点微流星体撞击下前靶板发生变形、穿孔、裂纹和撕裂的损伤特性。通过数值仿真计算了高脆性低熔点冰弹丸高速撞击防护结构的损伤特性，拟合得到了防护结构的撞击极限曲线，并与铝合金弹丸撞击极限曲线进行对比分析。结果表明，冰弹丸撞击前靶板的损伤模式以花瓣型撕裂为主，前靶板的损伤范围远大于弹丸几何尺寸，随弹丸速度的增加，碎片云撞击速度也不断增加，导致对后靶板的损伤程度增加；通过比对仿真获得的撞击极限曲线可知，如果采用等尺寸的铝合金弹丸对高脆性低熔点微流星体进行风险评估，可以认为防护结构是过设计的。综上，研究所获得的地面实验和仿真数据以及高速撞击损伤规律对优化航天器防护微流星体结构设计和风险评估具有一定的参考价值，这些成果对保障在轨航天器长期、可靠、安全运行具有重要的指导意义。特别是关于微流星体弹丸材料选择和实验方法，以及高脆性高熔点、高脆性低熔点、多孔脆性模拟微流星体弹丸高速撞击典型航天器防护结构损伤效应分析成果对于建立微流星体防护设计系统具有工程应用参考价值。