高拟真度模型在现代飞行器设计中的应用日益广泛。基于高拟真度模型的多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）由于能够更好地改进产品性能并减少研发时间，在飞行器设计中扮演着十分重要的角色。本文以具有结构功能复杂、涉及学科众多、学科间高度耦合和整体性能非线性典型特征的高拟真度飞行器设计为背景，针对传统MDO方法在建模和求解方面的不足，围绕着MDO模型、近似技术、MDO架构、参数化建模和学科接口5个方面进行深入研究。在此基础上以高超声速飞行器为研究对象，探索高拟真度MDO在航空航天领域的应用模式，发展飞行器MDO的一套解决思路与求解方案。主要研究内容如下：（1）提出一种基于学科关系矩阵的MDO问题建模方法，在此基础上重新设计MDO问题的求解流程并建立了相应的评价指标。以学科分析模型的输入/输出变量为基本接口，依托学科关系矩阵给出了MDO问题的耦合关系识别准则；对常用MDO策略进行重定义和规范化，建立以学科分析模型为核心的面向设计人员的MDO建模方法和求解流程，实现了MDO问题求解的规范化和自动化；在学科关系矩阵的基础上，通过定义学科全局/局部影响度的概念，依此提出学科及MDO系统的耦合度和复杂度评价指标，建立了MDO系统的评价标准。（2）研究了基于结构风险最小化原则的RBF和Kriging代理模型的各向异性核参数优化方法。将核参数优化思想引入到RBF和Kriging代理模型的核参数设计过程中，以光滑性度量为优化指标衡量代理模型的推广能力，实现了RBF和Kriging的各向异性核参数优化；通过标准测试函数和NACA0012翼型优化问题验证了上述方法的有效性，并分别针对样本点均匀分布和非均匀分布两种情况进行了对比分析。（3）提出了一种基于学科代理模型随机渐进抽样修正的MDO架构。利用模式跟踪抽样算法的随机渐进抽样修正原理，实现了学科代理模型的动态自适应更新；结合基于学科关系矩阵的MDO模型，将MDO求解过程分解为架构层、策略层与学科层进行独立设计和管理，建立了具有交互式并行计算特点的DMPS-MDOF方法；从动态加速效果、学科修正能力、渐进收敛特性、并行计算能力、多策略选择和交互式求解环境等方面对上述方法进行深入分析，并针对原均匀离散设计空间在最优区域设计点不足的缺陷，提出了基于多元正态分布抽样修正的改进方法。算例测试结果表明，上述新方法具有分布式并行计算的特点，只需花费一半甚至更少的学科分析模型计算次数即可在精度相近的情况下达到原MDO策略的收敛效果。（4）提出了一种基于解析几何描述方式的飞行器三维CST参数化几何建模方法。在原二维CST基础上引入与截面描述类似的轴向和侧向CST解析表达，推导了完全解析形式的三维CST参数化几何外形描述方程，结合部件组合设计思想，发展了一套基于三维CST解析表达的飞行器通用参数化几何建模方法；提出基于三维CST参数化几何模型的多学科主模型建模思想，建立了气动、结构和气动热学科分析模型的一体化建模方法和实现流程。（5）提出了基于特征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition，POD）代理模型学科接口的场量变量处理方法。针对MDO问题中场量变量耦合的三种不同情况，建立了基于POD代理模型学科接口的MDO问题应用模式；以耦合CFD/CSD高拟真度学科分析模型的静气动弹性优化问题为例，实现了考虑场量耦合的M6机翼静气动弹性优化。计算结果表明，降维后的MDO问题能够很好地支持并行计算环境，相比于传统串行求解过程能够大幅度节省计算时间。（6）在飞行器总体快速设计与优化软件平台MCDesign的基础上，研究高拟真度MDO建模和求解平台的实现方式，建立了一套支持MDO问题快速定义、自动化策略搭建及动态自适应求解能力的MDO求解环境；以X-37高超声速飞行器为对象，建立几何、气动、结构、热防护、飞行轨迹和质量学科的高拟真度分析模型及相应的MDO模型，基于上述求解环境实现了X-37飞行器MDO问题的优化求解。