随着飞行器设计要求的不断增加以及性能目标的不断提高，基于CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的飞行器气动外形设计方法也需要更精细更高效，因此需要对气动特性数值模拟技术、参数化方法、变形网格技术、代理模型、优化算法等构成飞行器气动外形设计的几项关键技术进行研究和创新，建立高效可靠的气动优化设计平台。本文主要完成了以下几方面的工作：1.基于结构网格技术建立了适用于气动外形设计的RANS(Reynolds AveragedNavier-Stokes)方程数值模拟平台，采用Roe空间离散方法，Menter’s k-SST两方程湍流模型，通过对二维翼型跨音速流场以及三维复杂外形流场的数值模拟验证了数值模拟平台的可靠性，为飞行器气动外形设计问题中的目标特性分析提供了可靠的气动特性数据；基于当地变量的Re t转捩模型建立了边界层转捩数值模拟方法，为开展高性能自然层流翼型/机翼气动优化设计提供了可靠的CFD模拟手段。2.为满足精细化气动设计要求，针对不同类型气动外形的参数化方法开展了系统研究。对于翼型参数化发展了基于差量的类函数/型函数(C ST)参数化方法，有效提高了对翼型几何外形精准的描述与控制能力，确保了有限的设计变量下较大的设计空间；针对三维复杂外形参数化建立了空间FFD(Free-Form Deformation)方法，该方法具有强大的描述任意复杂外形变形的能力，但对三维复杂外形精细化设计来说，该方法欠缺精准的几何外形控制能力，为此本文推导并建立了耦合特征曲线的直接控制FFD方法。对三维BWB(Blending-Wing-Body)外形的参数化证明，该方法可改善空间FFD方法的缺陷，并为高性能气动外形设计奠定了基础。为满足气动特性分析中高质量计算网格要求，建立了基于Delaunay图映射的变形网格技术，与基于体样条和无限插值理论的变形网格技术进行了对比，结果表明Delaunay图映射变形网格技术在处理大幅旋转以及扭曲变形时，通过合理的优化背景网格可以得到更高质量的计算网格，具有更稳健强大的自动网格变形能力。3.为了在有限样本资源下提高代理模型预测精度，基于权重改进期望提高(ExpectedImprovement，EI)准则建立了自适应拉丁超立方取样方法，在取样过程中充分利用已知模型曲面信息，兼顾样本空间密度以及非线性特性，使样本点在设计空间中分布更加合理。在此样本点基础上构建Kriging模型，替代优化过程中昂贵的N-S方程分析，提高优化搜索效率，并针对采用代理模型寻优所带来的局部收敛问题，在优化过程中引入EI准则建立了自适应Kriging模型，提高了全局收敛特性。4.针对标准粒子群算法容易早熟，种群多样性不高等缺点，通过对粒子群算法的参数，种群拓扑以及边界约束处理等关键因素的研究，发展了三种改进算法：借鉴遗传算法中的杂交思想发展了基于杂交理念的粒子群算法(BreedPSO)；考虑自然选择机理，并引入动态拓扑邻居以及广义学习策略，发展了基于自然选择的广义学习策略动态粒子群算法(SDNPSO)；引入多种群协作思想，发展了多种群协作粒子群算法(MCPSO)。通过函数优化及气动优化测试，证明了改进算法的收敛特性以及种群多样性，提高了算法的寻优能力以及优化效率。在多目标粒子群算法中，引入基于个体集聚度的外部存档策略，构建了基于个体集聚度的多目标粒子群算法，可以获得更逼近真实解的Pareto前沿，且解的多样性以及分布性得到了很好地改善。5.针对传统确定性气动优化设计对环境因素波动敏感性大的缺点，建立了基于响应面的气动外形稳健性设计方法以及基于6模型的气动外形稳健性设计方法。对自然层流翼型进行基于升力系数和马赫数不确定性的稳健性设计，改善了原始翼型层流区和阻力系数对不确定性因素波动敏感问题；对超临界翼型进行了关于马赫数的单点稳健性设计，提高了原始外形的阻力发散马赫数，降低了不确定性范围内阻力系数的均值和方差；针对单点稳健性设计得到的超临界翼型在低速存在的升力系数随迎角波动敏感问题，进行了多点稳健性设计，可同时改善翼型的阻力发散特性以及失速特性。6.针对传统Gappy POD(Proper Orthogonal Decomposition)气动外形反设计方法数据填补精度低，设计结果偏差大的问题，采用重新定义的采样解结构建立基于差量采样解的Gappy POD反设计方法，提高了数据填补精度，设计结果表明该方法反设计得到的翼型压力分布更接近目标压力分布，实现了目标压力分布到气动外形的精确映射，可对优化设计得到的压力分布形态进行更精细化的局部修形。7.基于文中所研究的气动设计关键技术构建了单目标、多目标优化设计平台以及气动外形反设计框架，可以针对不同设计对象和设计要求进行气动外形设计。对跨音速翼型及超临界翼型进行稳健性设计，降低了翼型气动特性对飞行状态不确定因素的敏感性；对亚音速层流翼型进行关于升力系数和马赫数不确定性的稳健性设计，改善初始翼型的阻力发散特性，并提高了层流区的稳定性；对跨音速自然层流翼型进行了反设计，提出了两种不同的压力分布形态，在不同雷诺数下分析了顺压长度梯度和压力恢复位置对转捩发生抑制的影响，为高性能自然层流翼型及机翼设计提供了很好的设计理念；对跨音速自然层流翼身组合体进行稳健性设计，综合考虑顺压长度和激波位置两种因素，使其在维持最长层流段的情况下保证激波稳健发展；针对DLR-F6翼/身/架/舱组合体，通过优化吊舱的悬挂位置，减小了部件间的干扰阻力。