自转旋翼飞行器(以下简称旋翼机)是一种以自转旋翼作为升力面、螺旋桨推/拉力或其它供能方式为前进动力的旋翼类飞行器,具有机构简单、安全性高、成本低等特点。为设计具有鹞跃起飞性能的旋翼机,解决其总体设计过程中遇到的关键技术问题,本文针对自转旋翼气动特性、旋翼机飞行动力学特性、鹞跃和超短距起飞技术、参数多目标优化设计、旋翼系统及其操纵系统设计等进行了深入的研究,并最终完成了ZX1型旋翼机总体方案设计。本文主要研究内容如下:(1)基于叶素理论,采用数值积分的方法,引入动态入流理论,建立了自转旋翼气动计算模型。经过旋翼自转气动特性风洞吹风试验的验证,最终提出了自转旋翼气动力和稳定转速计算方法,分析了影响旋翼自转气动特性的主要因素对气动特性的影响规律,明确了自转旋翼的气动优势和改善其气动性能的方法。(2)建立了旋翼机飞行动力学数学模型,分析了所设计的旋翼机平衡操纵特性和稳定特性,得出了带平尾高、前重心布局是旋翼机合理布局的结论。并以能量转换和变参数的方法,对鹞跃和超短距起飞特性进行了全面分析,得出各项参数和操纵变量与起飞特性的关系及改善跳飞性能的方法,并对实现鹞跃起飞的传动系统进行了方案设计。(3)结合Pareto概念,引入模糊理论,增加群体排序、小生境技术、精英保存策略等改进的遗传算法和能提高优化结果鲁棒性和可靠性的六西格玛设计方法,形成了适合于旋翼机参数多目标优化设计的方法。算例表明了多目标优化方法的正确可行性,并针对ZX1型机研制总要求,对旋翼机分别进行了总体参数和推&升力系统参数多目标优化设计,得到了满足设计要求的最佳参数组合。(4)通过分析跷跷板式旋翼的挥舞、摆振和变距特性及自转旋翼的特点,设计了适用的跷跷板式自转旋翼及其周期变距和总距操纵机构,解决了自转旋翼要在转速差别很大的地面预转和空中飞行两种状态下使用的问题。(5)在以上研究的基础上,依据ZX1型旋翼机研制总要求,通过运用CATIA、FLUENT、AUTOCAD,MATLAB等计算机辅助设计软件,研究了旋翼机总体构型、气动布局、重量重心布置等,并经试验验证和多轮次设计改进,完成了满足研制总要求的ZX1型自转旋翼飞行器总体方案设计。本文从自转旋翼飞行器总体设计要求出发,研究了旋翼机研制过程中遇到的关键技术问题。主要完成了自转旋翼气动特性的理论和试验研究,形成了自转旋翼的分析和设计方法;进行了旋翼机飞行动力学及鹞跃起飞建模研究,形成了旋翼机飞行动力学和跳飞分析方法;完成了ZX1型旋翼机总体方案设计(包括参数优化设计),形成了一套较完整的合理可行的旋翼机总体及系统设计方法。论文不仅解决了针对具体旋翼机设计的关键技术难题,所建立的设计理论和方法也可应用于其它旋翼飞行器设计分析中。