庞 勇，王国欣，汤 滨，王书超，赵忠贤

（1.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094；2.北京大学 工学院，北京 100871）

引 言

月球、火星、小行星等[1-3]地外天体表层都由一层厚度不等的星壤或岩石组成。其中，最上层的星壤受太阳风的影响，记录星球性质的信息严重缺失；次表层星壤较好地保存着星球形成早期的重要信息。这些记录的信息对人类具有如下重要的意义[4]：了解地外天体的形成、演化过程；获得太阳系形成初期的环境；探索宇宙中存在的新物质；了解生命的起源。因此，针对地外天体星壤次表层采样探测具有极高的科学研究价值。

深空次表层采样探测任务从20世纪60年代开始，美国和前苏联都成功地实施了月球采样任务。“嫦娥五号”（Chang'E-5，CE-5）于2020年12月1日成功着陆在月球风暴洋吕姆克山区，并实现了我国首次月壤岩本无人采样。钻取采样的目标是为获取月表以下一定深度原位层序剖面月壤，样品的年龄将有助于填补大约10～30亿年前的月球历史知识空白，提供月球和太阳系其它物体的历史信息。

“嫦娥五号”钻取子系统采用了螺旋钻具方案实现月壤钻进取芯，主要原因：螺旋钻具的排粉能力适合在地外天体缺少辅助排粉介质时工作；钻具回转切削星壤可保证样品层理特性的同时有效适应低重力环境下的低反力要求；螺旋钻具可适应无水星壤、含水星壤、岩石等多种工况。

针对月壤钻取过程中动力学行为的研究是解决螺旋钻具进芯困难的关键。目前对螺旋钻具与月壤相互作用动力学过程的仿真研究方法主要为DEM方法[5-6]和连续介质力学模型方法[7-8]。……