在寄生轰炸机设计研究中康维尔应用了机翼平面外形和进气口设计方面的最新空气动力学研究成果。寄生轰炸机的早期构型都是单级设计，B-58 载机从基地起飞后飞行 3,700 千米发射寄生轰炸机，后者以 5 马赫的速度飞向目标，完成任务后还有足够的航程返回起飞基地。
在所有早期设计中，寄生机机翼与 B-58 主起落架之间的干涉成为重大问题。格鲁恩应用科学实验室为此提出了一个两级串列翼解决方案。前载人级被称为“婴儿”，安装有座舱和一台冲压发动机，后消耗级被称为“哥哥”，安装有两台冲压发动和一枚核弹头。尽管格鲁恩解决方案的部分设计理念最终被“超级盗贼”所采用，但该设计还是不能满足任务要求。
（格鲁恩实验室坐落在纽约长岛，由布鲁克林理工学院的工程学教授安东尼奥•费里在 1956 年创建。由于费里接受了格鲁恩手表公司的财政支持，所以该机构后来更名为格鲁恩应用科学实验室。该实验室现在隶属安联技术系统公司，在潜心研究下一代飞机和导弹的先进推进系统。）
康维尔借鉴了格鲁恩两级解决方案的设计，在 1957 年 11~12 月推出了一系列具有内部编号的构型。
第一个是 101 构型，该构型的载人级顶部平坦，机翼有-3 度的安装角，面积 19.51 平方米。飞行员以俯卧姿势驾驶，斗状发动机进气口就在座舱正前方。座舱小型风挡紧靠着飞行员头部前下方。与格鲁恩设计相比消耗级的改动很小，两级的总重量为 14,900 千克，其中载人级重 7,425 千克。
102 构型对消耗级进行了改进，机翼同样有负安装角以改善空气动力学性能。为了理顺两级连接处的气流并减小底部阻力，还引入了方形冲压发动机。消耗级翼面积 27.87 平方米，可载油 6,800 千克，总重量 12,610 千克。
103 构型增加了第二名乘员（仍然是俯卧姿势），并列双座座舱宽 1.78 米高 1.02 米，翼面积维持在 101 构型的 19.51 平方米。机身上下方经过修形以充分利用升力效应，机身从前到后逐渐收细，上方机身与机翼上表面一起形成负压区，机翼下方机身体积扩大形成正压区。该构型总重量增加到 7,560 千克。
104A 构型载人级的机身宽度减小到 1.55 米，高度减小到 1.02 米，总重量也降低到 7,452 千克，翼面积仍保持不变，载油量 3,670 千克。104G 构型进一步改进了载人级，并且为消耗级的冲压发动机换装了方形喷管。载人级载油量增加到 4,400 千克，总重量增加到 8,300 千克。
由于制造问题 105 构型的载人级放弃了方形冲压发动机，乘员也减少成一名，但能坐姿驾驶了。由于驾姿的改变，机身深度有所增加，同时减小了宽度。106B 构型的消耗级可挂载可抛副油箱，载油量达到 6,237 千克，总重 11,430 千克（消耗级）。
到目前为止所有“超级盗贼”构型都假设载机是一种 B-58 改进型——B-58B，该机加长了机身，轴距比 B-58A 加长了 2.54 米。虽然 1958 年 10 月空军批准了 B-58B 的研制、设计和测试，但由于围绕 B-58B 的改进存在太多的不确定，迫使设计团队将载机改为 B-58A。B-58B 在 1959 年 7 月被取消。
因为 B-58A 的小轴距，寄生机如何避开前起落架就成为更大的设计问题。110 构型为此把前部载人级改为双体布局，每个机身内有一个单座座舱。
因为 B-58A 的小轴距，寄生机如何避开前起落架就成为更大的设计问题。110 构型为此把前部载人级改为双体布局，每个机身内有一个单座座舱
但双体布局有些不切实际，所以康维尔设计师又采用了折叠机鼻的办法来满足 B-58A 加长型前起落架及附属摆动机构导致的空间限制。寄生机载 B-58A 起飞收起起落架后，机鼻再展开，此外机鼻也可作为控制翼面使用。
对于寄生机来说，降落时机鼻对飞行员视线的遮挡又成为另一个问题。为了进行高马赫飞行，寄生机的座舱盖与机身齐平以降低阻力，此外低速降落时增加的迎角又进一步加重了问题。康维尔研究了几种能增加飞行员向下视界的方案，包括可沿纵轴旋转 90 度的机鼻、可把前方视频显示在座舱显示器的远程摄像机、以及在降落时后部可向上抬起的倾转座舱。最终设计师采用了铰接机身方案，载人级机身中间安装了铰链，降落时前机身下折以便飞行员能看见跑道，这与后来“协和”的下倾机头很相似。铰链就设置在座舱后方，整个前机身可下折20度。康维尔对于上述改动并没有定义具体的构型编号。
康维尔研究了几种能增加飞行员向下视界的方案，包括可沿纵轴旋转 90 度的机鼻、可把前方视频显示在座舱显示器的远程摄像机、以及在降落时后部可向上抬起的倾转座舱。最终设计师采用了铰接机身方案，载人级机身中间安装了铰链，降落时前机身下折以便飞行员能看见跑道，这与后来“协和”的下倾机头很相似
118 构型的消耗级提供了上单翼和下单翼两种选择，1957 年 12 月正式选择了上单翼布局。
1958 年 1 月康维尔在加州棕榈泉第一次向空军做了“超级盗贼”的概念简报。当时的康维尔首席设计师鲍勃•威德默在会议记录中写道这次会议受到了热情接待。与会者有空军装备部负责生产与武器系统的副司令克拉伦斯•欧文中将。在会上空军要求康维尔考虑速度超过 4 马赫的平底设计。
康维尔在 1958 年又进行了多次“超级盗贼”的简报，听众中有空军的高层将领，例如吉米•杜立特将军（时任空军参谋长特别助理）、詹姆斯•道格拉斯将军（空军部长）、柯蒂斯•李梅将军（空军副参谋长）、以及托马斯•怀特将军（空军参谋长），还有休•德莱顿博士（航空咨询委员会主任，该委员会是 NASA 的前身）。
军方的反馈意见对设计产生了影响，例如 119 构型就有了军方要求的平底，以作为发动机进气口的预压缩表面。该构型的双人座舱宽 1.63 米高 1.12 米，乘员呈半仰卧姿势（来自空军研究与发展司令部的建议）。最终 119 和 120 构型的载人段成为该项目的基本设计。