我国探月工程三期的目标是完成月面采样任务并返回地球。钻具与月壤相互作用特性包含钻进取芯时钻具与月壤间的力学特性和钻具的排粉特性。在月面钻取采样任务中，钻具与月壤相互作用的力学特性及钻具的排粉特性是钻取采样装置研制、钻具构型参数优化及钻进规程研究的基本依据之一。依据经典土力学中的极限平衡理论分析采样钻具对模拟月壤钻进取芯过程中钻具与月壤相互作用的力学模型。研究采样钻具取芯过程中钻具的排粉特性，并采用图像处理的方法实时监测钻具的排粉特性。面向钻取采样装置低功耗、高可靠性、高取芯率的设计要求，提出了“空心外螺旋钻杆+V型刃钻头”组合形式的取心钻具。空心外螺旋钻杆具有较好的排粉特性，是地外天体钻取采样探测任务中常用的一种钻杆形式。V型刃钻头的钻头体上镶嵌有四个V型切削刃，能够更好地侵入硬质月壤，并取得较高的取心率。钻进取芯过程中Ｖ型刃钻头的四个切削刃同时对模拟月壤进行切削，四个切削刃间相互影响，产生的切削阻力相互耦合在一起，难以准确建立钻头的切削阻力模型，因此需要简化钻头的切削阻力模型。将钻头切削模拟月壤时V型切削刃的回转运动简化为切削刃的直线切削运动。依据经典土力学极限平衡理论建立单个V型切削刃直线切削模拟月壤时的单刃切削模型，并对该模型开展试验验证。考虑V型切削刃直线切削与回转切削的不同点，基于V型切削刃的单刃切削模型建立钻头对模拟月壤的回转切削力学模型。参照单刃切削模型中模拟月壤的失效模型，分析采样钻杆螺旋排屑槽内钻屑月壤的运动形式和受力情况，建立钻具排粉过程中的排粉阻力矩模型。采样钻具在钻进取心过程中，钻具与月壤相互作用的力载特性和钻具的排粉特性是一个相互耦合不可分割的整体，需要研究钻具的排粉特性。分析采样钻具钻进取心过程中产生的钻屑月壤的位置流向，建立不同位置流向的钻屑月壤与钻孔内原位月壤间的体积对应关系模型，以分析的钻具排粉特性。提出基于图像处理的堆积区月壤体积特性非接触式测量方法，实时监测采样钻具的排粉特性，并将测量结果作为变量参数引入到钻杆的排粉阻力矩模型和钻具的排粉模型中，分析钻具与月壤相互作用特性。