次表层月壤的层序信息覆盖了月壤剖面的形态特征,记录了月表的陨石撞击历史,包含有丰富的宇宙空间环境信息,是研究月壤组份、矿产资源、月球历史、地月空间环境及太阳活动等的重要信息载体。美国与苏联已分别于上世纪70年代通过不同方法成功获取了次表层月壤并开展了大量的分析研究工作。随着我国探月工程的稳步实施,通过无人自主方法获取一定深度的包含次表层月壤原位层序的样品,已经成为当下科研的急切需求,也是我国自主分析研究月壤及月球资源分布的重要途径。典型的能够较好地保持层序信息的取样方法有直推贯入取样方法和随动边界取样方法,前者适用于浅层月壤取样,后者适用于深层月壤取样。本文对两种取样方法的取样率及层序保持性开展了分析研究工作,为工程转化提供了理论依据和技术支撑。在充分调研国内外星壤取样方法的基础上,本文以能够在浅层月壤取样过程中保持层序信息的直推贯入取样方法为基础研究对象,建立了取样管取样参数描述方法、取样率评价方法,应用筒仓理论建立了样品的土塞模型,对模型中的应力转向系数等关键参数进行了理论和试验分析。依据该土塞模型,结合月壤承载力随深度变化关系,建立了月壤进样平衡方程。研究了管径、管壁摩擦系数、月壤机械性质等参数对取样率的影响及其影响机制。在月壤样品层序信息保持性方面,利用离散元仿真方法建立了基于直推贯入取样方法取样过程的数值模型并对离散元模型中相关参数进行了匹配。对直推贯入取样方法获取的数值模拟月壤样品的内部应力状态、力链分布、进样历程、颗粒流线、孔隙比和体应变以及结构扰动等进行了分析,阐释了取样管内颗粒流动的漩涡特征,解释了月壤样品的扰动机制,并给出了影响月壤样品扰动程度的参数。依据直推贯入取样方法取样率和层序保持能力的影响参数分析,提出了针对深层月壤取样并保持层序信息的柔性随动边界取样方法,该方法通过改变月壤样品与取样管边界的接触方式,降低边界影响区的范围和作用机制,进而改善取样率和以层序信息为表征量的深层月壤取样效果。基于该取样方法,设计了一种无滑差柔性取样机构,针对该机构中柔性取样套管的力学性能及环境适应性开展了试验研究,以降低提心力为优化目标,对机构中的关键结构参数进行了优化设计,该机构能够实现取样边界与月壤样品的随动。最后,开发了一套取样性能测试平台,该平台可以用于取样机构在各种典型月壤工况下的性能及功能测试。利用该平台进行了一系列的取样验证试验,包括地面条件下的取样验证试验,高低温环境下的取样验证试验,层序保持性测试试验等。试验结果验证了无滑差柔性取样机构在取样率、样品层序信息保持性以及月球极端环境适应性等方面的能力。