我国探月工程(三期)的核心工程目标是采样返回,月壤样品的无人自主采集与原位探测是深化月球科学认识的重要手段之一。月壤在宏观形态上由岩石和矿物碎屑、玻璃质颗粒、角砾岩和粘结集块岩组成,是在没有氧气和水的条件下通过陨石撞击、宇宙射线和太阳风粒子的持续轰击、大幅度昼夜温差交变碎化等综合作用而自然形成的颗粒物质堆积物。月壤的化学成分、颗粒形态、粒径分布、相对密实度、综合土力学参数均与地球土壤存在明显差异。本文以月面钻取采样任务为工程背景,以月壤剖面样本模拟和钻进负载包络摸底为研究目标,依次开展了模拟月壤剖面设计、制备、测试及其钻进负载试验验证等研究工作。调研分析了美国Apollo计划、苏联Luna计划获得的月壤样本科学分析数据,提取出了模拟月壤原料、颗粒形貌的控制指标,实现了模拟月壤与真实月壤在土力学参数方面的等效性,为模拟月壤原料的制备提供了技术依据;以月壤剖面钻进负载的覆盖性为目标,提出了粒径级配、颗粒硬度、剖面密实度参数的设计依据和控制方法;开展了模拟月壤剖面的规划与设计研究,提出了小尺度、临界尺度和大尺度模拟月壤剖面的设计准则,研制了原料混合与粒径匹配、剖面密实度制备等装备,制备出了在土力学参数方面具有等效性、在月壤钻进苛刻度上具有覆盖性的钻取采样负载参数地面验证用模拟月壤样本;科学规划了负载包络验证用试验矩阵,开展了大量的试验验证,摸索出了月面钻取采样负载包络数据,为月面钻取采样装置驱动部件的设计和钻进规程参数的优化提供了直接依据。通过与美国Apollo和苏联Luna月面钻取采样装置的相似性指标进行比对,本文所提出的模拟月壤剖面的相似性、覆盖性设计准则,在方法上具有科学性,在工程上具有实用性。为开展月面钻取采样探测任务的地面试验验证提供了必要研究条件。