随着航天技术的飞速发展,人类对宇宙的探索不断深入。在新一轮空间探索中,地外星体探测成为了世界各国的研究重点。在星球探测中,钻进取芯装置是星球次表层取样的主要工具。虽然美国和前苏联已经成功的对月球和火星进行了多次探测,但我国在星球探测无人自主钻探装置设计研究领域还处于起步阶段,关键性技术亟待突破。本研究在国防领域科技重大专项“探月工程三期预研攻关项目”支持下,开展月球无人自主钻探取样装置钻取特性及其相关关键技术的研究,为我国月球无人自主钻探取样装置的研制提供理论基础与技术支撑。在月面钻取采样任务中,月壤的机械特性是钻进负载和取样量的重要影响因素。为了开展钻取采样装置的验证试验,次表层模拟月壤的制备和测试成为了亟待解决的问题。本文针对钻进取芯地面试验中次表层模拟月壤机械特性定量测试的问题,分析次表层模拟月壤制备过程中影响其机械特性的因素,提出了一套适用于次表层模拟月壤制备和测试方法。提出基于堆积密度的次表层模拟月壤的抗剪强度分析方法。结合DMT测试,给出了次表层模拟月壤的抗剪强度沿深度方向的分布,为开展基于次表层模拟月壤的钻进取芯研究提供了试验依据。月壤与采样机具间的相互作用在月球无人采样器的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,目前对于月壤与采样机具间相互作用中的钻进负载研究尚不充分。本文基于被动土压力理论,根据不同的土体切削状态,分析了堆积区土体对破坏区土体的作用和对总钻头负载的贡献,建立了月壤取芯钻头钻进松散土体的钻进负载模型,并开展了基于模拟月壤HIT-LS1#和试验钻具HIT-2的验证试验。在月球钻取采样器的设计中,软袋取芯方式可获得细长的连续钻取样芯,具有较高的取芯率,并能够保证次表层月壤样品的层理信息。由于取芯过程中月壤颗粒运动复杂,尚无系统的方法对软袋取芯的取样量影响因素进行分析。本文剖析了软袋取芯中月壤颗粒的流动情况,基于极限平衡理论构建了软袋取芯力学模型。基于该模型提出了预测取芯率数值计算方法,分析了钻进规程、月壤特性和钻具构型等因素对取芯率的影响。利用模拟月壤HIT-LS1#和试验钻具HIT-2在模拟钻进试验台上开展了验证试验,试验结果和模型预测结果平均误差小于5%。在月球钻探取样任务中,月壤和月岩的力学特性差异较大,探测器着陆区沿深度方向上的地质成分存在极大的不确定性,致使月面采样任务充满风险。为了保证月面采样的负载安全性并满足样品采取率的要求,钻进控制策略应具备对复杂钻进环境的适应能力,需要对钻进工况进行在线辨识并能够实时调整钻进动力参数。本文分析了钻进模拟月壤和模拟月岩以及钻刃接触及侵入岩块过程中的钻进状态监测信号特征,提出了基于安全规程的在线辨识方法。该方法利用人工神经网络实现了在安全规程下对典型钻进对象的辨识;利用连续小波变换实现了交界面的辨识。提出了基于在线辨识的自主钻进流程,为提高自主钻进的环境适应性奠定了基础。根据月面钻进过程中交界面检测、启动DPR和钻进对象辨识并启动相应DP等3种钻进状态,分析了各个钻进状态下合理的钻进规程,提出基于有限状态机的多状态自主钻进控制方法。研制了钻进取芯试验系统,利用模拟月壤、模拟月岩构建的多层钻进模拟环境和试验钻具开展了验证试验。试验结果表明多状态自主钻进控制方法能检测钻进状态的改变,并实时调整钻进规程参数,具备适应不同的钻进负载和振动干扰的能力,为地外无人自主钻探提供了解决途径。