在对地外天体的探测中,水资源的赋存分布是永恒的主题。而对于月球永久阴影区中“月壤水冰”的探索,自其存在的猜想提出发展至今,将进入新的历史时期即原位采样探测时期。而对于原位探测所搭载的科学载荷的设计、地面验证与定标,需要基于地面制备的与月壤水冰高度相似的加速等效模拟物。通过现有研究可知,样本的含水量及其分布的差别将使得其抗压、抗剪强度、介电特性以及微观结构等差异性十分显著,因此样本的内部水分分布均一性与否将直接关系到为载荷设计等提供输入信息的可靠性。本文的研究则是基于深空探测任务中对于月球永久阴影区探测的任务背景,建立了一种适用于月壤水冰模拟样本冷冻过程水分迁移特性研究的水热耦合模型,结合有限元软件分析了不同冻结工况下水分的迁移特征,并对制备工艺进行优化以提高水分分布的均一性。首先对水分迁移的驱动机制进行分析,并构建水分场与温度场模型,通过试验测试与推演对其中的水分运动学参数进行非线性表达,耦合方程则基于核磁共振法测试未冻水含量与温度之间关系进行补充。设计常低温与极低温工况下水分迁移试验系统,对迁移规律进行探究。同时对水热耦合模型中未确定参数基于有限元软件进行正交分析,建立非线性回归关系,以迁移试验结果为验证目标结合遗传算法进行参数反演。通过所建立的水热耦合模型,对不同冻结方式下月壤水冰模拟样本冷冻过程中样本特征进行分析,提出分层预置含水率的优化方案进而改善模拟样本中水分分布的均一程度,为地面测试试验等提供具有较为均一水分分布或目标条件下特定水分分布需求的月壤水冰模拟样本,进而提高载荷设计、定标等过程中输入信息的可靠性。