自上个世纪初,人们就开始了对旋翼外形的研究与设计工作。无论是用作推进器的空气螺旋桨还是用作升力装置的直升机主旋翼,其外形都决定了旋翼的工作效率。优化旋翼外形可以减少旋翼的需用功率,提高单位功率下的拉力,提升旋翼飞行器总体性能。首先,本文总结了旋翼气动性能的计算方法,比较了叶素动量理论、环量理论、预定涡系和计算流体力学方法对C-T旋翼的计算效率和计算精度。对交叉旋翼的气动外形进行了建模,用动量源方法和相关试验数据分析了重叠面积对交叉旋翼性能的影响。然后,本文设计了一款大载重无人机的升力系统,确定了旋翼主要的外形参数,设计了桨叶和连接件的结构。此外,针对桨叶旋转时产生的载荷和载荷的传递路径,对关键部件进行了有限元分析。试飞结果表明该升力系统满足总体性能要求,将试验数据与计算结果进行对比分析,表明动量源方法的计算结果是合理的。最后,本文通过最小诱导损失方法和遗传算法对单个旋翼的悬停状态进行了优化设计,主要针对桨叶的弦长分布和扭转分布。对比了两种方法的计算结果,得到了优化后的旋翼外形,并对旋翼性能进行了分析,优化过后的旋翼单位功率下的拉力最大可提升百分之十。