月表采样返回是探月活动中具有重要意义的一环,我国月面无人自主采样任务的主要目标是获取月表以下2m深且具有连续层理信息的月壤样品并返回地球,研究表明由于月壤形成过程的特殊性,使月壤具有不同于地球土壤的物理力学特性,钻具底端月壤材料的不同会对钻取采样工作造成影响。以采样钻具的外径和进样口直径尺寸为参考标准,把月壤分为代表性的小尺度均质月壤、临界尺度颗粒月壤和大尺度月岩三种,分别代表三种钻进工况。通过对三种模拟月壤进行冲击试验和仿真,研究反射波在钻具中传播特性,通过本文研究为无人自主钻取采样工作中钻具底端月壤工况识别提供参考。基于弹性力学、材料力学和波动力学理论建立了冲击作用下钻具与月壤相互作用关系模型。将月壤钻进取芯工况按照月壤粒径分布划分为均质月壤、临界尺度颗粒和岩石三类,推导了冲击作用下应力波在钻具中传播的速度与应力变化关系方程,分析了两者之间的对应关系,解释了应力波在不同介质界面间传播的原理和特点,得到了应力波在不同介质界面间的传播规律。利用有限元软件对钻具与月壤接触的冲击过程进行仿真模拟,分别开展了空载冲击、均质月壤冲击、临界尺度颗粒冲击和月岩冲击的研究工作,得到了应力波反射波在不同构型钻具中的传播规律,仿真结果显示随着初始冲击速度的增大,钻具中应力波传播的幅值也相应增大,二者呈线性关系,冲击速度不影响钻具中波形曲线;开展了三种钻具构型对应力波传播的幅值和波形影响研究,结果显示空心钻具和钻具外螺旋构型对钻具中应力波的传播影响较小;均质反射波和反射波波形曲线基本一致,透射波波幅极小;临界尺度颗粒和模拟月岩的反射波波幅衰减明显且临界尺度颗粒衰减最大,通过不同的反射波波幅比值可明显的区分三种材料。基于夯实方法提高均质模拟月壤和临界尺度颗粒模拟月壤的密度,使其在真实月壤密度变化范围内。利用月壤钻取采样平台对三种模拟月壤进行冲击试验,通过对高速摄像机采集的钻具冲击位移变化数据进行处理,分析了应力入射波及其反射波在模拟月壤中的传播规律。将仿真应力时间曲线与试验数据曲线进行对比分析,可以看出二者曲线趋势相同。试验的三种模拟月壤的应力波和反射波波幅比有明显区别,反射波波形存在明显差异,模拟均质月壤反射波波幅最大,模拟临界尺度颗粒月壤反射波波幅最小,与理论分析一致。