月壤是指覆盖在月球基岩上的一层4–15 m厚的颗粒材料。目前地外天体成功的取样任务表明钻进取芯是获取深层月壤的一种有效方式。我国嫦娥5号钻进取样的任务是利用钻进取芯装置自动采集次表层月壤样品,随后将样品返回地球。钻进机构采集月壤时,钻具与月壤之间存在复杂的相互作用过程。钻具与月壤的相互作用决定了钻进机构能否取到完整的月壤样本。本文以探月三期工程月面钻进取样为背景,研究钻取用模拟月壤制备方法,开展钻具与模拟月壤相互作用机理的研究,提出钻进取芯无人自主控制方法,为我国月面无人自主采样任务提供理论支撑。为了验证月面钻进过程的建模及仿真,需要基于模拟月壤开展大量地面钻进取芯试验。试验所需的模拟月壤应能够模拟真实的月壤,且沿深度方向具有期望的力学特性分布规律。另外,为了保证钻进试验状态的一致性,需要研究模拟月壤制备方法使钻进对象的力学特性可控。振动压实法能够有效改变模拟月壤密度,适合用于多层钻取用模拟月壤样本的制备。本文构建钻取用模拟月壤制备参数与期望力学特性之间关系。基于理想弹塑性理论建立振动压实模型,描述模拟月壤在振实过程中的动态特性。提出多层模拟月壤制备工艺,获取沿深度方向具有期望力学特性参数分布规律的钻取用模拟月壤样本。开展钻具与模拟月壤相互作用的研究能为钻具的设计和钻进规程的制定提供理论支撑。以往研究将钻具与土体相互作用划分为钻杆螺旋排土和钻头旋转切削土体两部分,忽略了两部分土体之间的边界效应及力学特性的差异。模拟月壤的切削破坏伴随着钻屑的流动。切削破坏和钻屑流动的耦合直接影响钻进负载,需要在建模过程中充分考虑。本文根据钻具构型,将钻具与模拟月壤相互作用划分为四个部分:钻杆螺旋排土过程、钻屑挤压过程、钻头推土过程和切削刃切削原位土体过程。考虑各部分边界条件及土体力学特性差异,基于被动土压力理论建立了钻具与模拟月壤相互作用模型,预测钻进过程负载。由于软袋与月壤之间无相对滑动,采用软袋取芯方式能够获得高的样品取芯率,且能够保持月壤的层理信息。增强对取芯过程的理解有助于钻进策略的制定和钻具结构合理性的验证。分别基于粮仓模型和太沙基承载理论,本文建立两个模型分析模拟月壤取芯过程中的应力分布。基于建立的模型,提出取芯率预测方法,分析钻进规程参数对取芯率的影响。开展钻进取芯试验,对比两个模型的预测精度,获得钻进模拟月壤的合理钻进规程。月壤形态多样,既有颗粒状月壤又有块状月岩,且月岩与月壤在深度方向上随机分布。由于钻进取芯环境的不确定性,钻进取芯装置应能够实时感知钻进对象变化,调整钻进规程与钻进对象相匹配。本文提出基于自适应模糊神经网络的钻进取芯控制策略以适应月球次表层复杂的钻进对象。利用模拟月壤和模拟月岩构建用于钻进试验的多层钻进对象。开展钻进取芯实时控制试验,验证基于ANFIS控制策略的钻进取芯装置对复杂环境的适应能力。