高超声速飞行器作为实现“空天往返”和追求“全球即时到达”的有效工具，既可满足情报搜集、通信保障、侦察监控和武器装备系统的远程战略投送等军事需求，也是发展未来跨大气层飞行器和实现高速远程交通的潜在途径，具有重要的研究和发展价值。本文从概念设计阶段的外形优化设计角度对高超声速飞行器设计技术进行了以下个几方面的研究：　　 高超声速飞行器概念设计阶段需要综合权衡气动力/气动热、飞行轨迹、载荷条件、甚至雷达散射截面等各种设计因素，期望通过一组较少的设计参数准确描述飞行器外形，快速实现尺寸和形状驱动的参数化几何建模。本文采用类型函数/形状函数变换技术建立飞行器参数化几何模型，通过调整少量尺寸参数或类型函数/形状函数控制参数便可以衍生出多种设计构型。翼型、机翼、升力体和乘波体等典型布局飞行器的外形建模与应用表明该方法简单、有效、适应性强，不仅能满足飞行器概念设计阶段外形优化的要求，也为基于尺寸和形状驱动的飞行器多学科设计优化奠定了基础。　　 概念设计阶段需要对众多外形设计方案进行考察、比较和筛选。鉴于飞行器设计初期便大量使用CFD方式计算气动特性仍然面临着计算效率方面的挑战，风洞试验和经典工程方法的大量应用尽管已经表明其能够提供具有一定精度的估算结果，但都未很好地考虑真实气体效应。本文结合经典的切楔法、切锥法、Prandtl-Meyer法和参考温度法分别对升力体高超声速风洞试验模型、乘波体构型和类X-33外形进行了高超声速气动力广气动热工程估算，计算结果表明工程方法能够满足概念设计精度需要。在此基础上，通过引入考虑真实气体效应的工程方法使无翼再入飞行器的气动力/气动热估算在一定程度上计及真实气体效应。　　 为以合理的计算开销完成外形优化，提出了一种使用最优拉丁超立方抽样进行实验设计，将径向基函数作为近似方法，并通过序贯采样后验策略改善拟合优度的代理模型构建方法。对升力体外形实现了以升阻比和容积利用率最大化为目标的折衷优化，得到包含一系列改进设计方案的Pareto-前端与Pareto-解集，其中，升力体布局得到的优化构型目标响应相对实际分析值误差均在6.1％以内。优化设计结果表明该方法既可以通过代理模型大幅提升设计效率，降低应用全局优化算法的计算复杂度，又能够得到满足概念设计精度需要的设计方案，有利于概念设计中定量高效地实现多个设计目标的折衷优化，明确飞行器外形修改方向。　　 针对概念设计需要综合比较一系列备选方案的设计需求，提出了一种基于减法聚类从高维Pareto-前端中提取典型设计构型并运用分层图这一可视化方式实现最优设计构型定量筛选的设计思路。无翼再入飞行器的设计实践表明，综合考虑升阻比、容积利用率最大化和热流量最小化的多目标优化设计，可以在不损失容积利用率的情况下，使设计点处配平升阻比从0.65提高到0.94。该方法既有利于概念设计中有效压缩设计空间，又便于确定飞行器外形设计参数选择的方向和范围。　　 最后，以无翼再入飞行器外形设计为例，通过加入基于Gauss伪谱法的轨迹优化模块，实现了高超声速再入飞行器的外形多学科设计优化。在满足轨迹约束条件的情况下，可以使飞行器再入末端纬度由5.45°提升至9.0°，有效提高其横向机动能力。