随着高超声速领域的飞速发展,高超声速飞机（高超飞机）是近代战略性武器研究的重点目标之一。伴随着乘波体设计方法的逐步丰富,将乘波构型设计方法应用于高超飞机上解决其面临的升阻比难题是一个不错的思路。乘波飞机是高超飞机的一种,为了改善在乘波飞机在飞行中遇到的头部激波对机翼产生的激波干扰、“升阻比屏障”和容积不足等问题,本文对乘波飞机的设计方法和优化方案展开了剖析和研究。通过对目前存在的高超飞机外形进行调研和分析,一方面拓展了乘波飞机的设计方法,另一方面提出了新的优化设计方法,最后在优化设计中引入了新的评价指标,得到具备工程实际价值的乘波飞机外形。将吻切锥乘波构型设计方法和拓展三维CST（Class-Shape-Transformation,类/形函数变换）设计方法相互结合,提出了一种脊形体全乘波飞机参数化设计方法。针对头部激波对机翼产生的激波干扰问题,乘波飞机的下表面采用了基于前缘线水平投影型线的吻切锥乘波构型设计方法。该方法可以明显的区分机身与机翼,更有利乘波飞机的操纵性和稳定性设计。为了开拓乘波飞机上表面设计空间从而提高乘波飞机的容积,乘波飞机的上表面采用了拓展三维CST方法。该设计方法具有控制变量较少、外形变化容易控制和外形变化复杂多样等理想特性,利于实现多目标优化工作。为研究乘波飞机的设计参数,开展了正交实验设计和控制变量实验设计。绘制了每一个的参数变化所对应的外形示意图,分析出了参数所对应的理论设计空间,总结出了各设计参数的变化对气动性能和容积率的影响规律。建立了一种全自动耦合CFD计算的气动外形优化设计技术,该方法可以批量化生成曲线、自动化建立数模模型、自动化绘制网格和自动化数值模拟,从而构建起整个优化设计的技术路线。根据代理模型的优化结果,提出了一种递进式多目标全局优化研究方案。为得到更具备实际工程意义的乘波飞机外形,本文通过多轮优化设计方案分析出了适合的优化算法和评价指标。在优化设计中提出了乘波体的圆锥有效容积评价指标,通过分析Pareto前缘,得到满足圆锥有效容积的条件下多攻角最大升阻比更优的外形结果,并利用流场观测的方法对优化结果的乘波能力进行检验。揭示出了在优化过程中参数约束对优化结果的影响和实际应用价值。