滚翼机是一种利用摆线桨产生飞行所需升力和推力的新型飞行器;摆线桨是由两片以上桨叶组成的新型全向矢量推力装置。近年来,微小型滚翼机在微小型飞行器领域逐渐受到重视。但由于摆线桨的强非定常特性等特点,对其相关机理与设计方法的研究仍处于探索阶段:一方面,在开展本论文研究之前,尚无滚翼机实现可控飞行的相关记录;另一方面,关于如何设计摆线桨,尚没有成熟的设计方法可供参考。针对上述问题,本文首先进行了微小型滚翼机可控飞行的原理研究,设计了一架微小型滚翼机原理样机,并通过样机试飞验证了滚翼机可控飞行的可行性;在此基础上,重点对摆线桨设计方法进行了研究。具体研究内容如下:(1)以微小型滚翼机为研究对象,进行了滚翼机可控飞行的原理研究,并对滚翼机设计方法进行了探索。分析了滚翼机姿态控制原理,提出了摆线桨和尾桨推力分配方法及滚翼机航时评估方法。利用Mcnabb气动力计算模型,对摆线桨初选方案进行了研究;设计并研制了摆线桨气动力试验平台,并基于正交试验设计方法,对桨叶构型方案进行了优化选型试验研究。在此基础上,对微小型滚翼机的摆线桨和尾桨动力系统参数匹配方法进行了研究。最后,设计并研制了一架微小型滚翼机原理样机,通过样机试飞,验证了滚翼机可控飞行的可行性;并在试飞过程中发现滚翼机航时较短是由于摆线桨效率较低这一问题,因而需要重点对摆线桨设计方法进行研究。(2)基于动网格技术,对摆线桨进行了二维非定常数值模拟,为提高计算精度和收敛性,对数值模拟中的计算域网格划分方案、动网格实现方法和更新策略、湍流模型选择等关键技术进行了研究。以滚翼机原理样机所采用的微小型摆线桨为研究对象,从摆线桨非定常流场、瞬时推力特性、时均推力特性、桨叶气动力动态特性和多翼面耦合干扰效应等方面,对其气动机理进行了深入研究,得到了一系列重要结论,为摆线桨设计提供了一定理论指导。(3)基于前文所给出的二维非定常数值模拟方法,对摆线桨关键设计参数进行了系统的参数化研究。对不同桨叶数、翼型厚度、俯仰轴位置、俯仰角幅值和俯仰角对称性设置对摆线桨推力、功耗和效率的影响进行了详细分析,从摆线桨瞬时推力和扭矩,时均推力、气动功耗和功率载荷方面进行了深入讨论,为摆线桨设计参数的选取提供了直接指导。(4)提出了基于滑移网格的二维快速多翼面耦合干扰优化方法,对摆线桨翼型等参数进行二维快速优化设计。该方法中,针对摆线桨存在桨叶干扰的特点,将二维摆线桨作为一个整体进行数值模拟,并以摆线桨悬停效率因子为优化目标;基于CST方法对翼型进行参数化建模;在此基础上,综合考虑计算精度和计算代价,基于滑移网格技术对二维摆线桨进行数值模拟以获取样本信息,并利用代理模型技术得到摆线桨气动响应的近似模型,进行优化设计。应用所提方法,对采用NACA 0015翼型的微型摆线桨开展了摆线桨翼型优化设计。结果表明,优化后的摆线桨悬停效率因子提高了18.31%。(5)提出了一种基于升力线模型、自由尾迹模型和L-B翼型非定常气动力模型的摆线桨推力与功耗特性三维快速计算方法,用以对摆线桨进行三维快速优化设计。引入半理论半经验的L-B模型计算摆线桨桨叶叶素的升阻力特性,以充分考虑摆线桨的非定常特性。提出将单流管模型与L-B动态失速模型相结合的方法,对摆线桨桨盘诱导速度进行预估,以提高自由尾迹模型计算时的收敛性和稳定性。提出基于升力线方法建立摆线桨桨叶气动模型,以考虑摆线桨的三维效应,并给出了摆线桨自由尾迹的离散化建模方法。引入Vatista粘性涡核模型,并考虑涡核半径增长效应,对基于毕奥-沙瓦定律的涡元诱导速度计算公式进行修正,避免了在涡线附近计算时出现数值扰动。最后,通过对三组不同桨叶数的摆线桨推力与功耗特性计算结果与试验值和CFD结果对比,验证了所提计算模型具有较好的计算速度和精度。本文在验证微小型滚翼机可控飞行可行性的基础上,重点开展了摆线桨设计方法相关研究,有关结论可为摆线桨设计提供一定参考,所提出的摆线桨设计方法在摆线桨效率提升和微小型滚翼机航时优化、载荷提升方面具有重要的理论意义和工程应用价值。