机智号火星飞行器在火星的成功起飞,标志着使用飞行器对火星进行探索已成为未来的一种趋势,飞行器可以帮助火星车进行路径规划以及完成对火星地表样品的采样返回。共轴旋翼式火星飞行器具有结构尺寸紧凑、悬停效率高和能够适应复杂的着陆环境的优点,成为了飞行器的首选构型。然而火星飞行器若想成功在火星飞行也并非易事,因为火星独特的大气环境使常规旋翼的气动性能大幅降低。本文针对火星飞行器旋翼桨叶基础翼型、桨尖翼型和桨尖形状对旋翼悬停性能的影响展开研究,建立了火星环境下翼型气动性能多目标优化模型,并以此优化出适合火星环境下高气动性能的翼型,设计出能够较大提升旋翼悬停性能的桨尖形状,进行火星环境下旋翼悬停特性实验,验证翼型气动性能理论分析的正确性。针对双曲线弦长分布桨叶建立了火星环境下旋翼叶素动量理论模型,使用三维数值模拟分析方法并结合叶素动量理论推导出了双曲线弦长分布桨叶展向叶素微元的工况分布。为实现翼型气动性能的多目标优化,提出了一种基于粒子群算法的翼型参数化方法,利用多目标优化遗传算法和火星环境下旋翼二维数值模拟分析方法,建立火星环境下翼型气动性能多目标优化模型,利用该优化模型对火星飞行器旋翼桨叶基础翼型的气动特性进行了多目标优化。通过对翼型流场的二维数值模拟分析,总结了火星环境下翼型的几何形状对气动特性的影响规律。根据旋翼旋转过程中桨叶展向拉力和扭矩的分布特性,对桨叶桨尖处翼型对旋翼悬停性能的影响进行了数值模拟分析。利用火星环境下翼型气动性能多目标优化模型,实现桨尖处的翼型在高马赫数下的气动性能多目标优化。得到了桨尖处翼型的气动特性对旋翼整体悬停性能的影响。利用三维数值模拟方法分析得到了不同桨尖形状对旋翼桨尖处复杂流动情况和旋翼悬停性能的影响。采用火星模拟环境旋翼悬停性能测试台,对本文设计的RB-TB-I、RB-TB-II和RB-TB-III型三种旋翼的悬停性能进行了测试,结果表明其悬停性能指标满足火星飞行器的设计要求,验证了本文所提出的设计方法的有效性。