Page 86 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 刘晏东，等： 超高速撞击玄武岩材料的Riemann-SPH仿真参数分析与验证 第 4 期

to account for phase transitions. Parameter search should be constrained by reasonably known values to avoid large errors or

non-uniqueness. With reasonable parameters, simulated crater size and momentum transfer factor match experiments within
10%–20% error. These strategies support SPH applications in asteroid defense and parameter selection.
Keywords: hypervelocity impact; SPH method; planetary defense; parameter analysis
当前技术条件下，动能撞击是偏转危险小行星轨道最有效且可行的方案 [1-2] 。而作为固体动态响应
问题之一，动能撞击防御小行星涉及超高速撞击条件下材料的塑性变形与断裂损伤、撞击成坑、溅射及
其产生的动量传递效应等，目前常用欧拉网格法、任意拉格朗日-欧拉网格法、离散元法和光滑粒子流体
动力学（smoothed particle hydrodynamics，SPH）法进行仿真研究 [3-5] 。SPH 方法作为一种无网格粒子法，对
大变形、冲击载荷问题有良好的适用性，也是超高速撞击仿真中应用最广的方法。而 Riemann-SPH 通过
黎曼求解器引入粒子间接触界面的速度以更好地捕获冲击波面和不同粒子间的相互作用，被广泛应用
[6]
于广义流体问题、固体冲击问题、流固耦合问题等的研究中 。
目前，学者们已使用 SPH 方法进行了诸多超高速撞击仿真并得到了部分撞击响应的规律。Luther
等 [7] 使用 SPH 方法和任意拉格朗日-欧拉网格法验证了实验室超高速撞击月壤模拟物的实验，发现不
同仿真方法得出的撞击坑尺寸误差达 20%，但动量传递因子误差在 3% 之内，不同仿真方法的结果差
距不大。Stickle 等 [8] 以双小行星重定向测试（double asteroid redirection test，DART）任务为背景总结了
动能撞击防御小行星的诸多仿真数据，主要分析了撞击速度、撞击角度、撞击器形状和靶体材料强度
对撞击响应结果的影响，发现材料强度、孔隙率和小行星结构的多种组合可能产生相似的动量传递
因子，但未分析损伤模型的抗拉强度对撞击响应结果的影响。Remington 等 [9] 使用 SPH 方法模拟了
Nakamura 等 [10] 对直径 6 cm 玄武岩球的撞击实验，得到了符合实验现象的碎片分布、玄武岩内聚力和
损伤模型参数，但其给出的玄武岩内聚力过大，超过了 1 GPa。Raducan 等 [11-12] 基于 DART 任务的尺度
设计了 SPH 仿真，分析了内聚力、碎石数量和质量分布对撞击成坑或地形重塑的影响；后续 Raducan
等 [13] 计算了 DART 任务中动能撞击“迪莫弗斯”小行星后的动量传递效应，但由于缺乏小行星质量、
材料强度及撞击坑形态、尺寸等数据，有待进一步研究。焦艺菲等 [14] 使用 SPH 方法进行了超高速撞
击 30 m 级岩石小行星的仿真，发现无孔隙均质材料比有孔隙率的材料更易损伤，均质材料的抗拉强
度越小，损伤越严重，而碎石堆小行星由于石块间的连接较弱可能导致解体。刘文近等 [15] 通过 SPH
仿真与实验室超高速撞击玄武岩实验进行对比，撞击坑尺寸与动量传递因子的误差最高为 15%，但仿
真中采用的玄武岩内聚力为无侧限单轴抗压强度，且抗拉强度与实验值差异较大。张鸿宇等 [16] 通用
SPH 方法对超高速撞击碎石堆结构的过程进行了仿真，发现由于碎石对冲击波的影响，溅射物的形态与
均质材料不同，呈现出射线形。此外，还有采用其他仿真方法的超高速撞击研究。Yan 等 [17] 使用物质点
法复现了文献 [10] 中的碎片质量分布，但最大碎片的速度偏高；后续结合软球离散元法计算了隼鸟 2 号
人工撞击龙宫小行星的溅射物角度和撞击坑尺寸，但可能由于计算域边界的反射导致撞击坑直径比真
实直径大 70%。陈鸿等 [18] 使用欧拉网格法对花岗岩弹道摆实验进行了仿真验证，根据不同的弹道摆测
量方法，仿真的动量传递因子误差为 11%～32%，仿真中，花岗岩的剪切强度不随压力变化且抗拉强度取
值偏低。
综上所述，SPH 方法已被广泛应用于超高速撞击问题的仿真研究中，但多聚焦于对小行星强度模型
内聚力和内摩擦因数的影响分析。对损伤模型种类和其强度模型参数相互影响的研究还少见报道，而
强度模型、损伤模型的选用及其参数的取值直接影响仿真结果及其参数的推广性。为此，本文在现有超
高速撞击理论研究、实验和仿真的基础上，采用 Riemann-SPH 方法并结合改进的变分辨率粒子分布法和
相变温度修正，对超高速撞击实验进行仿真验证，研究仿真参数对超高速撞击下岩石材料动态响应的影
响和参数的取值规律，分析实验的撞击坑尺寸、动量传递效应和损伤情况，以期为超高速撞击小行星仿
真提供参考。

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