随着人类可持续发展的迫切需求,深空探测及行星资源利用具有重大意义。由于在火星发现了大量的水冰/干冰,意味着具有生存资源与能源,具备建设火星基地及火星资源开发与利用的前提,火星基地还可作为开发主带小行星的前沿基地。水冰/干冰则是建立生存基地的基础条件,所以首先开展对火星上的冰进行采样分析,而接触式探测是最直接、有效的一种方式。相比于地面勘探采样,火星上钻探资源有限,探测初期只能采用无人自主的操作模式,这对火星取芯钻具的能力设计提出了更高的要求,既要满足火星钻探轻量化、低功率的限制,又要保证能可靠地获取完整的冰样。本文以水冰/干冰为钻进对象,以可靠获取冰样为目标,同时以钻进功率消耗最小为约束,研制出一种高效钻冰的取芯钻具。由于钻进对象—冰极为特殊,需要对冰的物理、力学性质展开深入的研究,掌握冰的有关力学参数:泊松比、杨氏模量等;研究在切削下,冰的破坏机理:脆性破坏、塑性破坏,失效准则。由于目前尚未发现对火星取冰的任何报导,因此,充分借鉴了地面上极地冰层钻探技术,对目前广泛应用于冰层钻探的电动机械钻具进行了调研、分析,以地面电动机械钻具为基础,根据火星水冰和取芯特性需求,切削刃采用定量剥离的刨刀构型,取芯机构运用了高弹性材料形状记忆合金以及滑轨道传递路径的变换,设计出取芯钻具的基本构型,同时为了保证高效钻进,以切削力载最小为目标,建立了冰层的单齿切削力学模型,得出了切削具构型参数前角、宽度对切削力的影响规律。应用有限元分析软件,开展钻头与冰相互作用过程的仿真研究,建立了多组不同的前角、后角、切削具宽度、刀头圆角半径、转速三维回转切削模型,获得了在不同的切削具几何参数和钻进规程参数下的切削力载。根据理论分析和数值模拟分析的结果,优化了钻头切削具前角、后角、宽度、刀头圆角半径、转速的范围。最后开展了冰的单刃切削试验,进一步验证了切削具前角对切削力的影规律。