随着我国空间技术的发展，要求卫星具备的功能越来越多，同时对卫星指向精度和姿态稳定度也提出了越来越高的要求。控制力矩陀螺是卫星的核心部件，这对它的动力学特性提出了很高的要求。控制力矩陀螺转子组件的质量和进动力矩直接影响小卫星的性能，为了实现小型控制力矩陀螺质量小、进动力矩大的目标，应该设计满足要求且结构合理的高速转子系统，本文研究内容如下：首先，基于结构设计的强度计算理论和刚度校核理论设计了悬臂支撑结构转子和双支撑结构转子。并通过这两种结构转子系统的加工工艺、装配工艺和固定工艺说明结构制造的可行性。其次，根据角接触球轴承径向刚度和轴向刚度理论提出了一种角接触球轴承刚度等效的方法。并且在轴承刚度等效方法的基础上提出了两种等效形式，即等刚度等效形式和不等刚度等效形式，通过对比分析两种等效形式的动静力学特性得出等刚度等效形式比较好的结论。再次，建立了悬臂结构转子系统和双支撑结构转子系统的有限元模型，依据陀螺效应、旋转软化效应和力学理论对悬臂结构和双支撑结构转子组件进行了力学性能对比分析。进行了结构的模态对比分析（考虑陀螺效应）、临界转速对比分析（考虑旋转软化效应）。对比分析了结构的随机振动特性、冲击振动特性和正弦振动特性。通过分析可知高速转子系统的轮体质量过大且主轴根部发生断裂。最后，由于轮体质量超过了设计要求，因此有必要进行结构拓扑优化。因为通过分析获知悬臂结构转子的主轴发生断裂，所以应对主轴进行多目标尺寸优化。为了使得转子组件的结构更加合理，基于遗传算法和多目标优化理论对主轴进行了多目标优化设计，并对非支配排序遗传算法（NSGA）和邻域栽培遗传算法（NCGA）的效能进行了对比研究。基于连续体拓扑优化理论对轮体进行了拓扑优化设计。