临界尺度颗粒是指平均直径大于或等于钻头取芯孔直径的月球土壤颗粒,其广泛分布于月球次表层土壤中。在钻进过程中受到钻削作用,一部分临界尺度颗粒被从孔底置出,并被嵌入钻孔壁产生孔壁置入现象,从而增大了切削负载功耗;另一部分跟随钻具回转无法被取芯孔采集,从而增加了钻进失败的风险。为了降低月面钻取任务失败风险,提高钻取率,针对临界尺度颗粒的孔底置出及孔壁置入运移特性对钻采过程的影响进行分析,开展了以下研究内容。建立基于傅里叶理论及分形理论的不规则颗粒轮廓描述模型,对不同粒径的临界尺度颗粒的轮廓进行描述,得到了颗粒的展开轮廓线及拟合程度较高的拟合曲线,继而得到颗粒的分形维数,从而达到描述颗粒轮廓的效果。分析了临界尺度颗粒的不同运移形式,及其影响因素,提出法向重叠率的概念,用以研究位置变化对临界尺度颗粒运移特性及切削力的影响关系。将钻具的慢速回转过程等效为直线切削过程,分析临界尺度颗粒与其相互作用对切削过程的影响。基于朗肯土力学理论及岩石剪切破碎理论,建立临界尺度颗粒的切削力学模型,分析不同作用位置对切削力及运移状态的影响,通过离散元方法进行仿真模拟,得到了不同的作用位置对临界尺度颗粒的孔底置出及孔壁置入的影响,并建立了切削力时域曲线特征与颗粒不同运移状态之间的关系。通过分析临界尺度颗粒的运移机理,根据其与钻头的随动特性,将切削刃结构参数与颗粒的形貌参数进行等效,重新定义切削刃的等效结构参数,基于土壤的切削失效机理及土壤流动分区原则,建立临界尺度颗粒与取芯钻具的相互作用模型,得到不同工况的钻具功耗,利用离散元方法模拟得到的钻具功耗,并与理论值对比,结果显示二者的偏差较小。制备参数匹配月壤的模拟临界尺度月壤,进行临界尺度颗粒的运移特性试验验证。对模拟临界尺度月壤进行多次切削,得到临界尺度颗粒的运移轨迹,模拟临界尺度颗粒的孔底置出及孔壁置入过程,并在临界尺度颗粒产生孔底置出及孔壁置入时,与切削力时域曲线特征匹配,结果显示,切削位置为影响临界尺度颗粒运移的主要因素,并且影响切削力,验证了本文提出的模型及仿真的正确性。