高超声速飞行器是近年来的研究热点，由于该类飞行器飞行速度范围大、飞行高度广，并采用先进的推进技术，飞行特性具有快时变、强耦合、非线性强等特点，高超飞行器的轨迹设计及稳定性分析面临较大的挑战。本文结合近年来轨迹优化领域的研究进展，归纳分析了目前用于飞行器轨迹优化的几种直接方法的基本原理和特点，包括直接打靶法、直接配点法、基于谱方法的配点法、Gauss伪谱法、Legendre伪谱法、Radau伪谱法等；在Gauss伪谱法和Legendre伪谱法的基础上，改进了配点处理方式，提出了一种混合型伪谱优化方法（Hybrid方法）。针对高超声速飞行器的特点，采用上述轨迹优化方法对算例飞行器上升段轨迹进行了优化，对比分析了各种优化方法的优缺点，验证了混合型优化方法具有精度高、对初值不敏感、收敛快等特点。最后，给出了上升段轨迹优化问题在方法选择、寻优策略上的建议。针对高超声速飞行器在其较大速度、高度飞行范围内气动特性变化显著的特点，本文推导建立了飞行器横航向稳定性判据，对算例高超声速飞行器在整个速度范围内的横航向稳定性进行了计算分析。本文研究结果可以为高超飞行器任务设计、控制系统设计及制导律设计提供一定的参考。