由于火星具有与地球相似的物理环境,因此对火星进行探测将加深人类对于地球演变和生命起源的认识。目前对火星地面进行探测主要采用火星漫游车探测的方式,然而火星复杂的地面环境使得火星漫游车视野和移动受到一定程度影响。由于火星上存在稀薄大气,火星无人机成为火星探测的另一种可能。共轴式旋翼无人机具有的紧凑结构及垂直起降能力使其在众多火星无人机中具有独特的优势。火星旋翼无人机工作条件与地球旋翼无人机工作条件的不同之处在于火星上稀薄且寒冷的大气环境使得火星旋翼无人机的旋翼工作在低雷诺数和高马赫数状态下。低雷诺数将导致层流分离现象使得旋翼产生的升力减小,而高马赫数将导致桨尖产生涡流从而使旋翼的机械效率下降。本文针对火星旋翼无人机的旋翼系统,建立了桨叶升阻特性模型,提出了适合在低雷诺数和高马赫数条件下使用的桨叶构型。通过实验不仅验证了桨叶升阻特性模型的正确性,而且研究了共轴式旋翼系统上下旋翼间气流的耦合作用。通过计算流体力学仿真方法,考虑翼型中的几何参数,选出适合低雷诺数和高马赫数状态下使用的桨叶翼型。基于叶素动量理论建立矩形桨叶升阻特性模型,提出了利用二维翼型仿真结果预测三维桨叶推力的方法。研究了桨叶平面形状对桨叶升阻特性影响并针对低雷诺数和高马赫数条件对桨叶进行设计。研制了包含火星大气环境模拟器、单轴式旋翼系统升阻特性测试装置以及共轴式旋翼系统升阻特性测试装置在内的旋翼升阻特性测试系统。火星大气环境模拟器用于模拟火星大气压力环境。单轴式旋翼系统升阻特性测试装置用于测量多种单轴式旋翼的升阻特性。共轴式旋翼系统升阻特性测试装置用于研究共轴旋翼系统上下旋翼旋转时,旋翼间气流的耦合作用。开展矩形桨叶升阻特性测试实验,验证了矩形桨叶升阻特性模型的正确性并获得了悬停时矩形桨叶的最佳安装角。开展了梯形桨叶升阻特性测试实验,获得不同锥度桨叶升阻特性之间的关系。开展了共轴式旋翼系统上下旋翼间气流耦合作用实验,获得上下旋翼同时旋转时旋翼系统产生的推力与上下旋翼单独旋转时旋翼系统产生的推力之间的关系。