轴对称构型飞行器由于容积效率高、热防护容易和控制技术成熟等优点,近年来被广泛应用于高超声速领域。相对于升力体构型飞行器,轴对称飞行器往往气动性能略低。为了进一步挖掘轴对称构型飞行器的应用潜力,提升其在高超声速飞行条件下的机动和巡航性能,本文选取前体、级间段和异型弯曲隔离段等典型气动部件开展气动优化设计。在前体设计方面,选取经验曲线和NURBS参数化曲线作为轴对称前体母线。经验曲线是指具有解析表达式的有良好气动性能的曲线,如冯卡门曲线和3/4幂次曲线。对母线经验曲线解析表达式进行修正可以改变母线形状,进而可以优化获得气动性能较优的轴对称前体。NURBS曲线参数化是前体母线设计的理想方法,该方法能够采用极少的设计变量对前体母线外形进行丰富表达,在此基础上可以引入优化算法调整得到阻力性能最优构型。此外,为提升轴对称飞行器在巡航状态下的气动性能,本文还提出了类轴对称前体的设计方法,在保证前体载荷装载空间的基础上下提升了整个飞行器升阻比。在多级轴对称飞行器级间段设计方面,本文直接将前体设计中的经验曲线和参数化曲线进行应用。对级间段的母线解析式修正后发现,前体母线的解析式的修正规律与级间段母线的修正规律存在一定的差异,且差异与来流条件密切相关。级段段母线参数化设计选取Ferguson曲线。级间段母线形状和曲率变化规律与Ferguson曲线端点处切线矢量的大小和方向密切相关。在设计过程中,只需调整切线矢量的大小和方向便有机会达到气动减阻的目的。在异型弯曲隔离段设计方面,发展了基于数学离散、几何融合和多截面曲面生成的设计方法。异型弯曲隔离段可以看成是由沿流向方向一系列二维曲面放样得到的三维复杂曲面。本文引入变量对隔离段出入口数学离散点空间坐标、过渡截面面积扩张规律以及过渡截面形心分布规律进行参数化控制,通过智能优化算法改变设计变量取值,可以在丰富的隔离段外形中得到气动性能较优的构型。最后,以某给定出入口形状的隔离段初始构型为设计对象,对上述设计方法进行了应用验证,设计结果表明优化构型相比原始构型总压恢复系数提高了12.3%。