火星上复杂的地形降低了火星车探测的速度,使其移动缓慢甚至可能陷入沙坑中。火星无人机可以在空中观察周围环境,帮助火星车规划出最快最安全的路线,使其更有效地探测火星表面。在众多种类的无人机中,旋翼无人机可以在任意位置垂直起降,且不受地形的影响。旋翼无人机的桨叶,是与空气互相作用而产生气动力的部件,其结构是影响气动力特性的关键因素。然而,稀薄寒冷的火星大气会增加火星旋翼无人机桨叶消耗的功率,减少其产生的推力,降低桨叶的气动性能。火星环境使旋翼无人机需要更大功率的电机来驱动旋翼,加大了自身的重量,无法携带更多的有效载荷。因此,需要优化火星旋翼无人机的桨叶结构,提高桨叶在火星大气中的气动性能。本文在叶素动量理论基础上,分别建立了火星旋翼无人机桨叶的弦长分布构型和扭转角分布构型,以减少桨叶消耗的功率。提出了一种对桨叶的复杂气动外形进行自动化三维建模的方法,该方法使用VBA宏语言改写软件脚本。提出了一种在火星大气环境下对旋翼无人机桨叶进行流体仿真的方法,并改写日志文件使仿真软件自动进行前处理。在理论推导和仿真方法的基础上,分析了不同的桨叶结构参数和火星旋翼无人机桨叶气动性能的关系,得出了双曲线的桨叶弦长分布构型和线性扭转角分布构型有利于减少消耗功率的结论。对火星旋翼无人机桨叶的弦长分布和扭转角这两个主要的桨叶结构特征进行了设计。根据可减少功率的桨叶弦长分布构型和扭转角分布构型,建立了用于结构优化的桨叶基础模型。对该火星旋翼无人机桨叶模型进行了参数化,并确定了结构参数的范围。提出了一种基于神经网络,遗传算法和CFD流体仿真的桨叶结构参数多变量优化设计方法,编写了使用遗传算法对桨叶结构进行迭代优化的程序,利用该程序对桨叶进行了平面形状优化设计和综合结构优化设计,得到了悬停效率和功率载荷都大幅提升的优化桨叶。对用于桨叶实验的火星大气模拟器进行了边界效应的计算和分析,对比分析了火星旋翼无人机桨叶气动性能的仿真结果和实验结果之间的误差。在火星大气模拟器中使用单旋翼气动性能实验台进行了优化桨叶的测试实验,验证了整体结构优化设计的桨叶在工作转速范围内可消耗更少功率的结论。