高超声速飞行器以其飞行速度高、机动性好和远程打击能力强等诸多优点,已成为当前世界各航空航天大国战略战术竞争的焦点所在。其机身和发动机高度一体化的构型,导致飞行器的气动、推进学科对飞行器的总体性能有着至关重要的影响,只有充分考虑飞行器机身与发动机之间强耦合效应,通过涵盖全系统的飞推一体化设计,才能获得整体性能的最优。本文以高超声速飞行器为研究对象,采用理论分析和数值模拟的手段,结合全系统的飞推一体化设计方法,引入多学科设计优化(MDO)方法,对其飞推一体化设计和多学科优化方法进行了全面深入的研究,主要包括以下几个方面:首先,在充分考虑高超声速飞行器机体和发动机之间强烈耦合效应的基础上,研究并发展了高超声速飞行器飞推一体化设计及其参数化建模的方法,并结合本文涉及的各目标学科特点,选取了合理的飞行器外形参数作为优化问题的设计变量。其次,针对本文所涉及的高超声速飞行器各个目标学科,对其性能分析模型的建立过程进行了细致的论述,并选取了相应的性能参数作为衡量该目标学科性能优劣的指标,将其作为优化问题的设计目标。然后,基于发展的飞推一体化设计方法和各目标学科性能分析模型,构建起高超声速飞行器巡航状态下的单目标和多目标优化模型,优化所得方案的性能均优于基准方案。在飞行器前体/进气道优化设计中引入了分层优化,验证了分层优化设计方法在工程应用中的巨大优势。最后,选取了优化得到的飞行器构型进行了三维空间下的数值模拟,并对其流场做了详细的分析,得到了飞行器各目标学科性能的变化情况。通过对多个算例在三维构型下的各目标学科性能趋势与其在二维构型下的目标学科性能趋势进行对比分析,说明了二维优化所得结果对三维高超声速飞行器设计的指导作用。