高超声速巡航飞行器具有飞行速度快、高度适中、可重复使用、航程远等特点,其技术的突破与应用将会引发航空航天技术的跨越式变革,对国家综合实力产生深远影响。以吸气式冲压发动机为动力的高超声速巡航飞行器利用大气中的氧气为氧化剂,可实现远距离巡航飞行,可用于远程投送、两级入轨第一级、高超声速客机等用途,在未来具有重大的应用潜力。高超声速巡航飞行器的设计与飞行器的气动、结构、防热、材料、飞行方案等因素密切相关,是一个多学科紧密耦合的系统工程。气动布局设计是高超声速飞行器设计的基础,但是不同于常规飞行器,高超声速飞行器的布局设计还没有成熟的方法可供参考。为了兼顾气动性能和多参数协调的设计要求,采用单纯的乘波体和简单的翼身组合都很难满足综合性能最优的设计目标。本文以高超声速巡航飞行器为研究对象,分别从创新总体布局和先进气动性能设计出发,针对未来高超声速巡航飞行器的气动布局设计与性能优化分析进行了系统研究。针对高超声速飞行器先进气动布局设计难点,提出了一种多段接序、分片组合的高超声速参数化气动布局设计方法,将飞行器分为前体、机翼和中心体等部件进行参数化设计,提出了高超声速巡航飞行器模块化设计理念。前体和机翼以乘波体为设计思路,中心体构型根据装载需求设计,从而达到飞行器在边缘能够满足压力封闭,有效容积集中在中心体附近的总体布局方案,最终实现具有“乘波特性”的参数可调的高超声速巡航飞行器。论文以组合布局为基础,分别开展了快速性能评估、创新乘波体构型、参数化总体设计、气动布局优化等研究工作。针对高超声速飞行器设计状态的性能设计和快速评估需求,基于高超声速小扰动理论发展了一套快速预测锥导乘波体和组合布局高超声速巡航飞行器气动性能的计算方法,该方法可以根据不同设计参数快速评估高超声速飞行器的气动性能,同时可根据任务目标给出飞行器总体布局设计的初步参数,为进一步精细化设计提供较好的初始条件。针对传统乘波体容积与升阻比的矛盾,提出了一种新型容积可调吻切乘波体设计方法,在上表面出口型线（FCC）和下表面激波出口型线（ICC）基础上引入了一条新的出口激波圆心曲线（COC）,释放了出口激波曲线的部分几何约束,通过调整出口激波曲率半径达到改变乘波体容积特性的目的,拓宽了现有吻切乘波体设计空间。CFD数值模拟结果表明:在无粘条件下,容积率小的乘波体拥有更大的升阻比;在粘性条件下,乘波体升阻比差异较小,本文设计的乘波体具备更大的容积率,具有升阻比和容积的综合优势。针对部件难以衔接问题,提出了一种可变激波角乘波体设计方法,通过改变不同扩张角处的激波角设计不同构型的乘波体。按照激波角从对称面到端点的分布规律,分别设计了定激波角、激波角减小和激波角增加等乘波体,采用数值模拟技术研究了激波角分布规律对乘波体气动性能的影响。研究结果表明:变激波角乘波体具有独特的气动特性、容积特性和压心特性,能够为高超声速飞行器的气动布局设计提供有益参考。针对传统单级乘波前体压缩能力不足的问题,提出了一种纵向分段的多级压缩乘波体设计方法。发展了一种非均匀来流乘波体设计方法,基于该方法分别设计了锥导二级/三级压缩乘波体,吻切锥二级/三级压缩乘波体。数值计算结果表明多级压缩能够有效提升进气道入口处的流量系数、静压比和总压恢复系数等性能参数,可以有效提升吸气式高超声速巡航飞行器的总体性能。针对高超声速飞行器数值计算和优化难等问题,发展了一套快速估算任意外形的高超声速气动性能软件,通过面元法实现快速评估不同研究对象的气动性能和容积特性。发展了一套自由变形技术方法结合面元法的高超声速飞行器气动布局优化程序,实现了高超声速飞行器多参数建模、快速气动评估和快速布局优化,有效地提升了高超声速飞行器设计和优化效率。论文最后以未来高超声速巡航客机为对象,设计了一款包含多级压缩前体、进气道和垂尾的高超声速客机。采用面元法、FFD和多目标优化算法实现了高超声速客机的布局优化,采用数值模拟技术研究了高超声速客机的升阻特性和横航向稳定性,验证了本文组合布局设计、气动性能估算和外形优化等设计和分析方法。论文从高超声速飞行器创新气动布局设计出发,以乘波体为基础,提出了多种新型乘波体设计方法和分段接续的组合布局总体设计方案,达到了同时改善高超声速飞行器容积特性和气动性能的目的,采用基于HSDT和面元法快速估算方法以及CFD数值模拟技术开展了性能研究。本文研究的具有“乘波特性”的组合布局飞行器可为未来高超声速巡航飞行器提供设计参考。论文建立的设计方法是高超声速飞行器复杂布局设计方法中的基础,通过未来多学科优化设计的进一步研究可以提升我国在高超声速巡航飞行器的工程应用能力。