单兵无人侦察系统对于现代战争,尤其对于特种战斗小组具有非常重要的实战应用价值,可以为作战分队提供不对称的信息优势,从而减少伤亡,提高作战小组的作战能力。目前,现代战争逐步向城市作战发展,无人侦察设备的微小型化、隐蔽化逐步成为研究的重点。本文选取用于单兵侦察的微小型无人直升机作为研究对象,围绕其机械结构、气动部件等方面展开研究,从空气动力学角度对旋翼、机身等进行优化设计。针对微小型无人直升机的功能要求,确定了无人直升机结构为单旋翼带尾桨,根据设计指标要求,估算微小型无人直升机的起飞总重、确定桨盘载荷、旋翼实度,并对微小型无人直升机进行总体布局设计,结合直升机的飞行原理,设计主旋翼变距操纵机构和尾桨系统。针对微小型无人直升机的低雷诺数工作环境,在常规直升机旋翼流场数值模拟方法的基础上,对主控方程、离散方法、湍流模型进行分析,结合多参考系模型、C型结构网格和基于Mosaic技术的非结构网格,提出并建立了一套适用于低雷诺数旋翼流场仿真的CFD方法,针对该方法,对具有完整风洞试验数据的二维翼型和三维旋翼模型进行模拟仿真计算,对比文献中的试验数据,验证了本文建立的CFD方法的准确性、有效性。基于旋翼理论模型与翼型气动特性理论,分析研究了在低雷诺数环境下影响常规NACA4位数翼型气动性能的因素,利用仿真计算确定了合理的翼型几何参数范围,从而确定了气动性能优良的初始翼型,并基于三阶Bezier曲线、Xfoil软件和遗传算法,提出并建立了一种适用于微小型无人直升机的翼型优化设计方法,对选取的初始翼型进行优化,得到了气动性能更好的翼型曲线,最终优化后的翼型最大升阻比提高了1.5%,迎角分别为4°、6°和8°时,升阻比分别提升了20.47%、8.5%和24.72%。参考常规直升机的旋翼尾桨干扰研究方法,并基于多参考系模型,对主旋翼和尾桨的干扰流场进行仿真,综合考虑无人直升机的尺寸要求,确定了尾桨的转动方向为“底向前”转动和尾桨与主旋翼的相对位置布局。基于空气动力学,对微小型无人直升机的机身进行阻力特性分析,得出了无论在低速飞行还是高速飞行时,无论机身迎角为0°还是-5°时,机头部分都是机身阻力的主要来源,占到机身总阻力的约42.25%～47.22%。综合Bezier曲线、代理模型和遗传算法,提出并建立了一种基于对称截面曲线的机头减阻优化方法,具体为利用三阶Bezier曲线,对机头曲线进行参数化建模,采用正交试验与三阶多项式响应面建立了机头参数与机身阻力系数之间的代理模型,并利用遗传算法,对机头曲线进行了减阻优化,优化后的机身阻力较优化前减少了29.61%。最后对整机进行了流场仿真,研究整机飞行过程中的流场特点,并对小型航模无人直升机进行改装,制成了试验样机,对本文设计的主旋翼与尾桨进行简单的飞行验证,证明了主旋翼和尾桨的性能。