有效开展航天器防护结构设计,提升航天器生存能力,是各航天大国一个非常重要的研究任务。超高速撞击问题不仅是航天器防护结构设计的关键问题,也是冲击动力学的一个基础问题。超高速撞击过程中弹靶材料会发生大变形、碎裂以及应力波作用导致的层裂破坏现象,形成碎片云；当碰撞速度很高时(空间碎片平均撞击速度在10 km/s以上)弹靶材料的压力和温度极高,碎片云会发生熔化、汽化甚至变成离子体等物理现象。因而碎片云的结构演化、质量/动量分布、碎片云热力学状态和相分布等碎片云特性成为航天器防护结构设计研究重点。目前国内外对于7 km/s以下弹丸撞击过程中碎片云结构演化和质量/动量分布等碎片云特性开展了大量的实验及数值模拟研究,但碎片云的热力学状态和相分布这一问题缺乏研究,尤其是对于真实太空环境中平均撞击速度在lOkm/s以上空间碎片超高速撞击问题,碎片云发生熔化、汽化现象将更加普遍。受限于超高速发射能力不足和诊断手段有限,实验研究碎片云熔化、汽化和相分布等问题难度较大,因而开展超高速撞击过程数值模拟及碎片云相分布数值模拟,对于提升航天器防护结构设计能力和提高超高速撞击机理认识水平具有重要的工程应用价值和科学意义。然而,开展超高速撞击碎片云相分布数值模拟研究难度很大,对计算程序极具挑战：既需要能够描述物质大变形和多物质相互作用的数值方法,能描述材料在宽广热力学区间适用于固-液-汽相变的多相完全物态方程,以及有更高压力和温度范围内的材料物性参数。因此,本文重点围绕多物质欧拉数值计算方法和固-液-汽多相完全物态方程构建开展研究工作,研制超高速撞击三维数值模拟程序,并按照数值模拟程序的验证和确认(V&V)思想,开展系统的程序检测和考核工作,进一步开展超高速撞击产生碎片云相分布数值模拟与分析研究。本文主要研究结果和创新如下：1)开展了基于Level Set函数的多物质欧拉方法研究,发展了界面追踪方法、混合网格部分体积计算和维数不分裂物质输运的整体计算方法,建立了适用于三维复杂几何建模的超高速撞击多物质欧拉数值模拟程序；2)在GRAY三相非完全物态方程的基础上,采用热力学函数Helmholtz自由能描述固相,发展了一种基于Helmholtz自由能热力学函数、适用于描述固-液-汽三相的完全物态方程。给出了铝材料物性参数,验证了新构建GRAY三相完全物态物态方程的有效性；3)系统地进行了程序验证和确认,结果表明,基于欧拉方法的超高速撞击程序能较精确地计算平面对称碰撞问题中压力和温度等冲击波传播特性数据,也能定性和在一定精度范围内定量地描述超高速撞击Whipple防护结构的碎片云结构、热力学状态等特性；4)在程序验证和确认基础上,开展了平面对称碰撞和球形弹丸超高速撞击碎片云相分布数值模拟研究,结合一维冲击波理论,分析了撞击过程中碎片云固-液-气相演化机理,给出了不同速度下碎片云相分布特点和演化规律,计算结果与实验结果吻合较好。