月壤的采集与分析是月面资源探测任务中的重要环节，同时也为今后人类建立月球基地、开发月球资源提供可靠的技术支持。与松散无序的月壤样品相比，具有层理信息的剖面样品更能充分反映月表的地质构造、演化历史以及矿物资源的分布，是采样任务中优先选取的目标。目前采集月壤剖面样品的方法已有两种：钻进式取心和贯入式取心，其中以钻进式取心为主。对于深层且密实度较高的月壤，由于回转钻进过程中一般会增加冲击模式，从而导致样品层理信息遭受较大程度的破坏。贯入式取心在采样深度上不及钻进式取心，但使用的工具简易轻便，获取的样品能保持良好的剖面层理信息。然而，由于样品在取心管内易于发生堵塞，导致贯入阻力增大，取心率降低，且拔出取心管时需要很大的提拉力。本文针对贯入式取心存在的以上问题，提出了基于颗粒单向流动效应的减阻增效方法。以月壤颗粒单向流动特性为主线，采用基于离散单元法的可视化仿真技术，阐释了月壤颗粒在纵向振动的非对称功能界面上的单向流动特性，分析了振动参数、界面参数、颗粒粒径和形态对单向流动性能的影响规律。在此基础上研制了取样器原理样机及试验系统，并开展了取心效能试验研究。
　　通过建立取心管与月壤相互作用的物理模型，对贯入式取心原理及其高阻力、低取心率特性的致因进行了分析。通过建立取心负载模型，为取心管结构参数优化和极限采样能力预测提供了理论基础。在此基础上，提出了一种基于颗粒单向流动效应的减阻增效方法并建立了颗粒单向流动等效力学模型，对方案的可行性加以论证。此外，建立了取心效能评价指标体系以量化方案的减阻增效性能。
　　对物体施加水平作用力使其沿斜坡向上滑动，坡度不同则所需的作用力也不同，参考该原理设计了一种在纵向简谐振动条件下可以实现颗粒单向流动效应的非对称功能界面，并通过试验对其功能进行了验证。建立了非对称功能界面与月壤颗粒相互作用的离散元仿真模型，开展了颗粒单向流动行为仿真研究。通过分析非对称功能界面与颗粒作用的动态过程，揭示了颗粒的单向流动特性，并分析了颗粒之间的相互作用对单向流动性能的影响。
　　通过离散元仿真技术研究了界面参数、振动参数、颗粒粒径及形态对单向流动性能的影响规律。基于Box-Behnken响应面试验设计方法建立了振动参数、显著性界面参数分别与单向流动速率和流动域范围之间的回归方程，为取心管界面参数的优化设计提供指导。
　　基于取心负载模型和颗粒单向流动特性回归方程，开展了取心管结构和界面参数优化设计，研制了取样器原理样机及取心效能测试系统。采用三维振动压实工艺制备了模拟月壤剖面样本，以此为对象开展了取心试验研究。通过与传统冲击贯入式取心对比，验证了取样器的实际减阻增效性能，并分析了规程参数（取心管振幅、频率、轴向压力）对取心效能的影响。
　　本文提出了一种基于颗粒单向流动效应的月壤贯入式取心减阻增效方法，通过对颗粒单向流动特性研究，分析出了振动参数、显著性界面参数分别与颗粒单向流动速率和流动域范围之间的量化关系，并在此基础上研制了取样器原理样机。通过试验证明了该方案与传统冲击贯入式取心相比具有更高的取心效能。研究成果将为我国未来载人登月任务月壤剖面样品的高效采集提供新原理和新方法。