钻进取芯方式是目前地外天体探测器获取星壤剖面样本的主要手段。带有连续层序信息的月球风化层剖面样本,对于研究月球的生成与演化历史、月球基地建设、月球资源利用等任务具有重大工程价值和科学意义,世界各国针对月壤剖面的取样分析和就位利用计划也在陆续实施中。面对非确知月壤剖面所带来的挑战,取芯钻具的设计应该从整体功能角度出发,以进样量为目标进行结构参数匹配性设计,以适应由月壤中临界尺度颗粒引起的不同钻进取芯工况,并开展作业状态识别方法和钻进策略的研究,为解译和挖掘月面钻取采样探测数据,以及后续探月任务提供基础理论支持。基于阿波罗等探测任务获得的月壤样品,开展粒径分布和颗粒形貌沿月壤剖面方向变化的分析研究,获得月壤内聚力、内摩擦角等力学参数随深度变化的规律。以高取芯率和月壤工况的宽适应性钻进取芯为目标,从月壤样品进样流畅性的角度出发对取芯钻具的结构参数进行匹配研究,包括颗粒容纳通道参数匹配分析、进样通道变内径结构设计、进样通道定心密封结构设计。基于回转钻进切削及螺旋排屑的原理构建取芯钻具的钻进负载模型,开展细粒径和临界尺度颗粒月壤对钻进负载响应特性的影响分析,结合离散元仿真模拟方法对临界尺度颗粒与取芯钻具的相互作用关系进行验证。构建预设钻进临界尺度颗粒的模拟月壤剖面样本,利用月壤剖面全流程钻进取芯试验台开展钻进取芯试验,通过分析钻进负载响应特性,为钻进规程参数匹配、月壤剖面状态识别提供参考。针对月壤样芯中细粒径月壤和临界尺度颗粒对取芯负载响应特性的影响,构建细粒径月壤取芯的力学模型,分析钻进取芯过程中临界尺度颗粒在不同区域与取芯机构的相互作用关系,通过离散元仿真模拟方法对相互作用关系进行验证。搭建取芯负载解耦验证试验台,研究临界尺度颗粒在钻进取芯过程中对取芯负载的影响。结合月壤剖面钻进试验结果,分析含临界尺度颗粒月壤剖面的取芯负载响应特性,为钻进规程参数匹配、取芯状态识别提供参考。基于月面钻进取芯作业器-地联合操控的特点,结合不同钻进规程参数下的钻进负载响应,提出以负载阈值为判断依据的月壤自主钻进策略。基于钻进深度-作业时序双约束的操控策略,开展含临界尺度颗粒月壤剖面的钻进策略研究,实现钻进偏离工况、取芯偏离工况下的钻进规程参数匹配。提出基于隐马尔可夫算法的取芯状态识别模型,结合嫦娥五号在轨遥测数据和实际钻取采样执行结果,开展月面采样点月壤剖面状态的分析与解译,对钻进取芯系统硬件和操控策略在月面作业时的实际效能进行分析和评价。本文对取芯钻具结构参数进行匹配设计,能够提高月壤样本的进样顺畅性和取芯率,以及含临界尺度颗粒剖面月壤的适应性,提出的月壤自主钻进策略和月壤状态识别方法能够结合月面作业遥测参数对钻进状态进行分析与解译。通过研究使取芯钻具在采样量、钻进负载、芯径比、钻进策略、月壤工况适应性等方面均优于苏联Luna-24采样钻具,为未来的地外天体钻进采样任务提供理论和技术支持。