星球探测是研究行星演化和形成规律的重要手段,我国的“嫦娥五号”月球探测任务将采取钻取采样和表层取样的方式获取月壤样品,并通过返回器将样品带回地球。相比于星壤样品采集与返回分析,冲击贯入式原位探测具有贯入深度不受限、贯入体质量小、探测成本低、功耗需求小等优点。冲击作动式贯入器可贯入到星壤剖面一定深度,实现星壤及其剖面力学特性参数的科学探测,适用于月球、火星及小行星的原位探测。受作业功率、冲击作动能量等因素制约,贯入器在星壤剖面中实施贯入式探测尚存在诸多技术瓶颈。本文以月壤剖面贯入式探测任务为工程背景,紧密结合月壤剖面及其组构的物理力学特性和探测器质量/能量和尺度苛刻约束,提出了冲击作动式月壤剖面贯入器系统方案,以其贯入过程的力学特性为主线,以最大限度提升贯入效能为研究目标,对贯入器在月壤剖面中贯入机理、冲击作动的高效传递等共性问题开展系统研究,创新设计出高效能、低功耗、轻量化的冲击贯入作业装置。基于贯入过程中空间置换原理,对贯入器与月壤体相互作用力学关系进行分析,获取贯入挤密区、弹性恢复区和原态月壤区中月壤体的应力扩散规律及其影响边界条件。通过分析冲击作动式贯入器贯入方式及其构型参数对月壤体应力场分布的影响,获得贯入器贯入月壤剖面过程中月壤剖面孔隙变化、贯入阻力和贯入挤密区边界等参数,为冲击作动式贯入器设计指标确定和力学模型的建立奠定基础。提出一种凸轮绳驱储能式贯入器设计方案,具有结构简单、能量传递效率高等优点。建立贯入器对月壤体贯入作用力学模型,并分析贯入器构型参数对贯入负载的影响,确定贯入体构型参数最优值;以有限冲击能量的最佳传递效率为目标,针对贯入器核心单元间质量及刚度匹配开展优化研究,忽略冲击界面的影响,在给定边界条件下,获得最佳传递效率时的核心单元间质量及刚度匹配值。为研究贯入过程中月壤体颗粒流动与应力分布规律,建立月壤体与贯入体相互作用的颗粒流场仿真模型,分析接触模型参数对仿真过程中贯入器所受阻力的影响,确定合适的接触模型参数,完成模拟月壤仿真本构模型的参数匹配。通过EDEM与ADAMS的联合仿真,实现贯入器的冲击功加载。针对锥型贯入器贯入月壤剖面过程进行分析,通过月壤体颗粒流动规律,阐明贯入器附近颗粒运动变化过程。分析不同构型贯入体附近的月壤体颗粒应力影响区域,为模拟月壤剖面样本制备提供支撑。采用三维振动压实的方法,以相对密度为指标,制备多种不同类型的模拟月壤剖面样本,并确保其在深度剖面上力学特性的一致性。研制冲击作动式贯入器原理样机,开展模拟月壤的冲击贯入试验研究,通过高速摄像系统记录冲击锤的实时速度,获得具有最优冲击动力效率的参数匹配值,完成水平、竖直两种极限姿态的冲击贯入效能试验,验证理论分析和结构设计的有效性。