可重复使用的天地往返运载器（RLV）是降低发射成本、缩短发射周期、提高发射可靠性、实现大规模进出空间的理想运输载具，是航天运输系统的重点发展方向。采用吸气式组合动力、水平起降、单级入轨的运载器将是未来RLV的终极目标。带翼构型因具有更小的起飞推重比、更优的气动性能和更强的飞行能力，是极具潜力的RLV构型。

带翼RLV的气动布局设计需要结合其任务特点考虑诸多因素：1）在空天往返过程中运载器须进行宽速域飞行；2）运载器的飞行高度范围大；3）运载器需要具备较大的升力来平衡重力，并尽可能利用升力来提升运载升效率；4）运载器需要具备较高的升阻比，来增加其滑翔距离；5）运载器需要具备较大的容积来搭载任务载荷和燃料。

基于上述背景，本文以带翼高超声速飞行器气动布局为主要立足点，以提升整机气动性能为主要目标，分别针对翼身组合型单升力面气动布局和高压捕获翼双升力面气动布局，并从气动特性与爬升弹道特性耦合关系、乘波体压缩面变形、参数化设计方法、气动布局优化、宽速域气动特性分析、动导数计算、飞行建模及仿真和动稳定性分析等几个主要方面开展研究工作。本文的主要内容如下：

1）针对运载器的升力爬升弹道，开展了气动特性与弹道特性的耦合分析。基于二维三自由度弹道方程，系统地分析了运载器升阻比对其分离点速度、高度、弹道倾角、动压、最大过载等弹道参数的影响。结果表明，高升阻比气动构型无论是对于运载器的爬升还是回收都是有利的，但运载器还需满足容积率、自重、稳定性等约束条件。

2）基于高超声速流场中扰动仅向下游传播的特点，提出了一种基于表面局部变形的乘波体设计方法，在此基础上分析了压缩面变化对乘波体气动特性的影响。结果表明，该方法可以使乘波体压缩面在较大范围内调整，并且充分保持构型的乘波特性。基于压缩面优化方法对乘波体开展了配平优化。结果表明，飞行器实现了在最大升阻比对应飞行攻角下自配平的目标。综合利用压缩面优化方法和前缘型线优化方法，对单升力面翼身组合型飞行器开展设计和优化。结果表明，优化构型在宽速域内具有较高的升阻比，而且纵向静稳定。

3）从高压捕获翼基本原理出发，设计出一种应用高压捕获翼的高速飞行器新概念初始构型。开展构型设计和优化，得到了一种“工”字形高超声速双翼布局方案。对优化构型进行了详细的数值模拟，结果表明，优化构型具有良好的三高特性（高升阻比、高容积率和高升力系数）。对优化构型进行了风洞实验，结果表明，数值计算具有较高的可靠性，优化构型具有优异的三高特性。

4）使用强迫振动法计算了Finner导弹标模的纵向稳定性导数，和SDM标模的横航向动导数。将本文的数值计算结果与文献中获取的CFD计算结果、风洞试验结果进行对比。结果表明，本文所使用的计算流体力学非定常模拟方法、强迫振动方法、动导数参数辨识方法是可靠的。

5）计算了高压捕获翼飞行器在基准点的静、动态气动力参数，基于MATLAB/Simulink建立了捕获翼飞行器的六自由度飞行仿真模型。数值仿真结果表明，高压捕获翼飞行器受到扰动后纵向动稳定，但横航向动不稳定。对线化后的六自由度动力学系统进行了稳定性分析。结果表明，飞行器的纵向短周期模态和长周期模态稳定，横航向荷兰滚模态和滚转模态稳定，但螺旋模态不稳定。