Waverider es un vehículo hipersónico que mejora la relación de sustentación a resistencia utilizando la onda de choque unida al borde de ataque de la superficie de sustentación. Debido a su superior rendimiento aerodinámico, exhibe una configuración externa viable en condiciones de vuelo hipersónico. La mayoría de los estudios existentes sobre waverider emplean el método de diseño inverso para generar la configuración del vehículo. Sin embargo, el método de diseño inverso de waverider presenta dos limitaciones: definición inexacta del espacio de diseño y estimación de rendimiento no factible durante el proceso de diseño. Para abordar estos problemas, se propone en este artículo un nuevo marco para optimizar directamente el waverider. La teoría del cono osculador se adopta como un método de diseño inverso para waverider. Se sugiere una metodología general para definir el espacio de diseño analizando las curvas de diseño de la teoría del cono osculador. El rendimiento del waverider se estima de manera precisa y rápida mediante la combinación de un solucionador de dinámica de fluidos computacional de alta fidelidad y un modelo sustituto. Un estudio comparativo muestra que el marco de optimización directa propuesto permite un espacio de diseño más preciso y una estimación de rendimiento eficiente. El marco se aplica al problema de optimización multiobjetivo, que maximiza el volumen interno y minimiza la resistencia aerodinámica. Finalmente, se presentan características generales para el waverider analizando los resultados optimizados con métodos de minería de datos como K-means.