高超声速飞行器已经成为航空航天界的焦点领域,各类型号飞行器的试飞正在逐步揭开该领域的神秘面纱。飞行器外形的参数化设计与优化在飞行器概念设计过程中占有重要地位。类别/形状函数转换法作为一种精确的参数化方法已经广泛应用于二维翼型、三维机翼以及多段组合飞行器的参数化设计和优化工作之中。本文通过对原有参数化方法进行研究和改进,一方面提高了其对二维翼型的参数化精度,也拓展了其在三维曲面参数化领域的适用范围,并通过建立近似模型和组合优化等手段获得了优秀的翼型、高超声速滑翔飞行器概念构型等。针对传统类别/形状函数转换法在翼型拟合时头尾处拟合误差较大的问题,通过将初始采样点的选取从传统的均匀选取方式改为正切函数选取方式,从而减小了最大拟合误差。通过数值方法对翼型网格进行气动力分析,并验证了网格独立性。在此基础上分别采用多岛遗传算法和非线性序列二次规划法在NACA0012翼型的基础上基于近似模型进行优化设计,结果发现基于多项式的响应面模型能够以较高精度代替原始物理模型进行优化,且将多岛遗传算法和非线性序列二次规划法结合使用能够得到比单独使用每种算法更优的外形。分析了类别/形状函数转换法的三维应用,发现传统方法中只考虑法向方程中的耦合项,从而使得对曲面参数化时其曲面边缘只能在XOY平面上。为此本文在法向方程中引入独立项,使曲面边缘所在位置也具有可控性,从而拓展了三维参数化范围。通过将三维参数化方法应用于高超声速滑翔飞行器,采用工程估算方法求取气动参数,最终进行了多目标设计优化。结果发现基于改进后参数化方法的多目标优化Pareto前沿比改进前方法得到的前沿更加靠前,即改进后的方法能够得到更加优异的外形。通过研究Pareto前沿上典型构型的气动性能,验证了优化后构型的优良性能。针对高超声速滑翔飞行器实际飞行中的跨空域、跨速域特性,基于乘波体设计理论提出了一种宽速域滑翔飞行器设计方法,并通过对上缘线的参数化设计实现了整机构型的参数化控制。数值结果发现该类飞行器在宽速域条件下均具有优良的乘波性能,其气动性能相比于传统乘波体在给定马赫数区域内具有折衷的特性,使其具有一定的参考价值和应用前景。通过简化的弹道特性分析也进一步发现了该类飞行器具有远程打击和战术突防等特性。