随着航天事业的发展，空间碎片环境日益恶化，严重地威胁着在轨航天器的安全运行。空间碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞击现象，对于毫米级空间碎片，采用设置防护屏的防护结构方案被证明是现实有效的措施。航天器空间碎片防护结构的超高速撞击特性是航天器空间碎片风险评估和防护结构设计的重要基础数据。为了降低防护结构整体质量，开发新型航天器空间碎片防护结构方案是十分必要的。以航天器空间碎片防护结构设计为工程应用背景，本文编制了三维/二维光滑粒子法(SPH)程序，并对计算效率和拉伸不稳定进行了改进，用于超高速撞击数值模拟研究。泡沫铝防护结构是目前空间碎片防护研究的一个前沿，其潜在的应用前景引起了国内外的广泛关注，论文中对泡沫铝防护结构的性能及优化进行了研究。　　相对有限元方法，无网格方法在模拟大变形问题时（例如高速撞击、爆炸、侵彻、裂纹等问题）具有明显的优势。SPH方法是目前一种广泛使用的无网格方法。本文介绍了SPH方法的基本理论，推导了函数核估计值和函数导数核估计值的通用表达式，详细阐述了SPH方法离散化介质力学守恒方程组的主要过程，给出了守恒方程的各种离散格式和计算流程，此外还介绍了SPH数值算法的一些相关问题：光滑核函数特性、固定边界与虚粒子、人工粘性、人工热流、本构关系、状态方程、屈服模型、光滑长度选取及时间步长的计算等问题。　　无网格方法的计算效率普遍低下，由于SPH方法采用了配点法作为离散方案、核函数法作为近似方案，所以效率相对较高，但与有限元法相比依然较低，而且还存在拉伸不稳定的问题。临近粒子搜索算法决定了直接SPH方法的计算效率，现有的算法难以应用于大计算域、大量粒子的问题。SPH方法的拉伸不稳定问题虽然得到了改进，但并没有很好解决。本文提出了多级动态分配链表搜索法作为临近粒子搜索方案，理论上可对任意数量的粒子实现高效搜索；为了进一步解决拉伸不稳定问题，本文提出了一种人工力的方法，并将该力与人工粘性力结合起来形成了一种张量形式的人工力；为了使超高速撞击后靶板的界面清晰，便于查看损伤情况，本文提出了SPH物体分块条件。　　基于上述改进，编制了二维轴对称和三维SPH数值模拟程序，为进行超高速撞击的数值模拟研究奠定了基础。通过与A.J.Piekutowski超高速撞击实验的比较，验证了二维轴对称与三维SPH程序的有效性。　　泡沫铝是一种新型航天器防护材料，其潜在的应用前景引起了国内外的广泛关注。本文模仿泡沫金属的制造过程，提出了一种适用于无网格方法的泡沫金属微结构几何建模方法，并通过实验与数值模拟结果的比较验证了该建模方法的有效性。在此基础上，通过数值模拟计算了夹层和填充泡沫铝防护结构的撞击极限曲线并进行了比较。　　利用自行编制的三维SPH程序和提出的泡沫金属模型对泡沫铝防护结构进行了研究。通过对不同形式的填充泡沫铝Whipple防护结构和填充实心铝板Whipple防护结构的模拟和比较，获得了优化的填充泡沫铝Whipple防护结构形式；通过模拟不同平均孔径和不同相对密度的泡沫铝防护结构，发现当平均孔径较小、相对密度为27％左右时防护效果更佳；通过对不同面密度、不同防护间距泡沫铝防护结构的模拟，发现防护结构面密度的增加对防护效果的影响显著，且在较高撞击速度时防护间距的增加对防护效果的影响较为明显。根据这些结论，获得了优化的填充泡沫铝防护结构，通过模拟得到了它的撞击极限曲线并发现：与网格双防护屏和多层Nextel等防护结构相比，该结构防护效果优异。通过对填充泡沫铝防护结构和填充实心防护结构的模拟和分析发现：泡沫铝对小尺寸碎片的防护效果显著，因此不应将泡沫铝放置在防护结构的第一层；泡沫铝置后从而能够提升防护效果的原因是其微结构能够通过多次加载将碎片云的法向动量有效分散。