我国载人航天三期工程准备于2018年发射空间站核心舱，并开始组建空间站。组建完成的空间站须要在350km～400km的近地轨道运行10年，期间将与货运飞船和载人飞船进行多次交会对接。目前日益增加的空间碎片对空间站的长期在轨安全运行造成了严重的威胁。由于空间站在轨时间长、暴露面积更大、安全指标更高，传统铝合金材料及单层舱壁结构无法满足空间站非穿透概率大于0.9的防护设计要求。为此，我国拟采用以玄武岩纤维和Kevlar纤维为填充材料的填充防护结构作为空间站的主要空间碎片防护结构。本文采用空间碎片超高速撞击地面模拟实验和理论分析相结合的方式，研究了国产玄武岩纤维布超高速撞击防护机理及其填充防护结构撞击极限。主要研究内容为：首先，利用二级轻气炮对玄武岩纤维布进行超高速撞击损伤实验，并在数码显微镜下观测了玄武岩纤维丝和弹丸的损伤。结果表明玄武岩纤维丝断口截面损伤形态呈现出多样性，在玄武岩纤维布贯穿孔周围出现了残余的铝熔球和铝合金软化条；确定了在本文实验速度范围内铝球弹丸撞击玄武岩纤维布出现熔化或软化损伤的最小临界速度。第二，根据玄武岩纤维丝微观损伤形态的多样性和铝合金弹丸的损伤形貌，建立了弹丸累积损伤模型。将铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布等效为玄武岩纤维丝逐次撞击弹丸，分析了撞击过程中冲击压力、冲击温升和内能均随着玄武岩纤维丝撞击次数而增加的累积效应。利用弹丸累积损伤模型分析冲击波在玄武岩纤维丝和弹丸中的传播以及冲击温升和剩余比内能的变化规律，并得出了铝球弹丸撞击玄武岩纤维布出现熔化或软化的临界速度；阐述了玄武岩纤维丝的多次撞击和玄武岩纤维布特殊的编织构造形式是弹丸前端出现沟槽侵蚀损伤的原因。第三，通过超高速撞击实验，分析了玄武岩/Kevlar布填充防护结构在不同直径弹丸撞击下的撞击极限和防护特性；并分析了玄武岩/Kevlar布填充防护结构超高速撞击损伤和防护机理。将撞击极限实验点拟合得到的撞击极限曲线与同等面密度的国外Nextel/Kevlar填充防护结构撞击极限曲线相对比，结果表明本文选用的玄武岩/Kevlar布填充防护结构与国外同等面密度的Nextel/Kevlar填充防护结构具有相近的抗高速撞击防护性能。最后，讨论了利用无量纲分析方法和弹塑性理论建立玄武岩/Kevlar布填充防护结构撞击极限方程的可能性。在弹道区，将填充防护结构等效为一定厚度的舱壁板，通过无量纲分析给出带有未知参数的撞击极限方程；在液化/气化区，考虑防护屏厚度、填充层位置及总防护间距的影响，通过无量纲分析建立了该区段的撞击极限方程；用插值方式得到破碎区的撞击极限方程。同时，根据舱壁的损伤形貌和破坏模式，探讨了用弹塑性理论建立撞击极限方程的可能性。玄武岩纤维布及其填充防护结构已被选作为我国未来空间站的主要防护材料和防护结构，本文研究了其高速撞击损伤特性和防护机理，并掌握其防护性能数据，同时初步探讨建立撞击极限方程的方法，为国产防护材料的筛选和开发提供了理论依据，为载人航天三期工程空间站的空间碎片防护设计提供技术支持。