高超声速飞行器是二十一世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向,在未来的军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用,因此对于飞行器飞行轨迹的优化显得尤其重要。为了加快我国航空航天事业的发展,提出了高超声速飞行器的初步设计方案,在轨道方案设计上引用了跳跃飞行的概念。跳跃式轨道飞行概念是在大气层高速飞行器的发展过程中形成的。所谓跳跃式轨道飞行,是指飞行器经弹道式飞行并滑翔再入大气层后,在升力或火箭简短的推进作用下改变飞行轨道,作波浪形飞行,直至目的地上方。本文研究的主要内容包括:首先,建立了高超声速飞行器相应的环境模型,力与力矩模型,运动学与动力学模型。其次,对于高超声速飞行器总体技术进行了初步分析和研究,包括高超声速飞行器的实现方案、飞行方式、气动布局、发动机方案等等,分析了几种可以借鉴的高超声速飞行器的气动外形,并分析了各自的优势。然后,介绍了弹道优化的数值算法,研究了如何将最优控制问题转化参数优化问题,并在Matlab软件平台上基于序列二次规划法编写了一套轨道优化程序。最后,在所建立数学模型的基础上,以最大航程为优化目标,应用上诉优化程序对所设计的高超声速飞行器跳跃飞行轨道进行全弹道优化仿真。