高超声速滑翔飞行器（Hypersonic Glider Vehicle,HGV）具有高速度、高机动、高射程的优势。本文以高超声速滑翔飞行器的气动外形为对象开展优化设计研究,针对其几何建模的复杂性、气动计算的耗时性、迭代优化的非线性以及工程应用的可行性,开展了基于自由变形（Free Form Deformation,FFD）和代理优化（Surrogate-Based Optimization,SBO）的迎风面气动外形优化设计研究,并完成了考虑总体约束的稳定、操控等部件外形设计,取得了一些有益的成果。外形参数化建模是气动外形优化设计的开端。当前FFD方法在HGV参数化建模中存在计算消耗严重、操作效率低和几何连续困难等问题。通过将传统三维控制体简化为二维控制面,约束控制点只沿迎风面法向发生位移,提取迎风面外缘轮廓作为控制面边界,并采用非均匀有理B-样条（Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS）作为基函数,提出了一种适用于HGV迎风面参数化建模的Edge-NFFD方法。该方法在三个典型外形（升力体、融合体和乘波体）建模中均取得较好结果,为HGV气动外形设计提供有力支撑。气动性能分析需要解决好计算精度与设计效率的矛盾。多保真度（Multi-Fidelity）的计算方法能够平衡气动性能分析的精度与效率,为构建多保真度的代理模型奠定基础。为获取不同保真度的气动数据,介绍了基于Navier-Stokes方程组和湍流模型的高保真度（High-Fidelity）计算方法,以及基于Euler方程和摩阻粘性修正的低保真度（Low-Fidelity）计算方法。同时计算网格生成也是一项耗时又占据大量资源的过程,将网格变形与外形参数化建模相结合,能够同步实现几何模型和计算网格的更新。为此发展了一种基于鲁棒参数的改进弹性体网格变形方法,经验证具有较强的鲁棒性和通用性。在经典Kriging代理模型的基础上,通过扩展样本数据结构,建立了多保真度的Co-Kriging代理模型,经验证具有耗时少、精度高的优势。基于Co-Kriging代理模型的高斯统计特性,引入期望改进（Expected Improvement,EI）加点策略指导加入新的样本点,并采用基于分解的多目标进化算法（Multi-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,MOEA/D）求解max（EI）函数的优化前沿,构建了Co-Kriging代理优化算法的基本框架。基于该优化方法,采用Edge-NFFD方法的外形参数作为设计变量,以最大升阻比为优化目标,装填容积作为约束条件,在典型状态下完成了迎风面的优化设计,优化效果明显。高超声速滑翔飞行器的气动外形设计是一个复杂的系统工程,需要考虑总体设计约束。首先针对迎风面优化外形稳定性不足的问题,采用单/双垂尾布局作为稳定部件进行优化设计。然后针对当前外形不具备操控能力的缺陷,采用对称分布的Flap舵作为操控部件进行优化设计,形成满足总体约束的综合优化外形。最后从气动力、气动热、稳定性、操控性和结构装填等多方面对优化外形进行性能评估,在多个状态下具备较好的总体性能,同时指出了存在的不足,对工程应用具有指导意义。论文研究立足于新型高超声速滑翔飞行器的发展需求,研究了外形参数化建模、气动性能数值计算、多保真度代理优化方法及总体性能对气动外形设计的约束,形成综合性能较优的HGV气动外形。论文研究成果在考虑总体性能的约束下提高了HGV的气动性能,对未来发展具有重要意义。