针对空间碎片与航天器防护结构之间的超高速撞击问题,本文对航天器防护材料和防护结构的损伤特性进行了实验数据的研究分析和数值模拟的分析;并对航天器防护结构在满足可靠性的情况下质量最小的优化问题进行了研究.该课题及研究方法对航天器防护结构的设计工作具有较大的理论和工程意义.具体工作可分为以下几个方面:(1)根据实验数据采用量纲分析法和逐步回归法得到厚靶成坑的经验公式,并对得到经验公式的不同模型进行了分析,结果表明:采用靶材布氏硬度的经验方程较采用屈服强度的经验方程较好地符合实验,从而也说明用布氏硬度表征超高速撞击的强度效应比用屈服强度更能反映超高速撞击本质特性关系;数据回归分析得到薄板穿孔的经验方程,通过与Maiden,Gehring和Mcmillan的经验方程进行比较,表明得到的经验公式在该实验条件下更精确,采用的分析方法也是有效的;通过实验数据得到了碎片云特性角的经验方程.(2)通过对实验数据的回归分析,在实验特定的条件下实现了单防护屏Whipple防护结构的撞击极限方程的建立.撞击极限曲线整体趋势与已有的撞击极限曲线是一致的.定性地说明了回归得到的撞击极限方程与已有的研究和实验是符合的,为进一步修正撞击极限方程及建立更合理的撞击极限方程的形式奠定了基础.(3)由得到的撞击极限方程对航天器防护结构参数进行优化分析,解决了以往用Christiansen得出的撞击极限方程不能求结构参数的最优解的问题.单元特定粒子情况下防护结构质量最小的优化结果表明:舱壁厚度与防护屏厚度在撞击极限方程三个速度段上最优化比值是固定的.可以利用这个结果对防护结构进行具体的优化设计.(4)针对航天器防护结构总质量最小的优化,提出"风险平均化"的优化思想,并给出了应用这种思想对防护结构优化设计的具体方法和步骤,为具体实现用这种方法对航天器防护结构的优化设计提供理论依据.