为了在降低阻力的同时还能利用冲压发动机的优势，下一个构型（大约诞生于 1957 年 8 月）与 B-58 一样安装了 4 台涡喷发动机，但内侧的两台发动机被移到机翼上方，为机翼下方安装的两台可抛冲压发动机腾出空间。该机在执行任务时使用冲压发动机以 4 马赫速度飞向目标，返程时抛掉冲压发动机依靠涡喷飞行。由于存在难以解决的平衡问题和其他不良特性迫使设计师最终放弃该构型。
冲压/涡喷发动机的组合再次出现在下一个构型中（大约是 1957 年夏），甚至还加入了火箭助推器。火箭助推器安装在机翼内侧挂架上，用于起飞助推并把飞机加速至超音速后被抛掉。然后 4 台冲压发动机点火把飞机继续加速 至4 马赫，并在整个任务全程保持该速度。该机机身中线还安装一台涡喷发动机，但仅在降落时使用。该构型由于重量超过 181,440 千克而被视为是不切实际的。
B-58 的寄生研究始于 1957 年 10 月。B-58 的原始设计就可以挂载大型武器吊舱——可容纳燃油、自由落体炸弹以及空地导弹，或者侦察吊舱。而把大型吊舱更换为一架小型有人寄生超音速轰炸机的话，那么在一定程度上就扩展 了B-58 的作战能力。为此康维尔提出了一种低成本的加长机身 B-58 设计，以及几种寄生轰炸机构型。B-58 的超音速性能可满足寄生轰炸机冲压发动机的点火条件。
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。
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。
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。
康维尔“超级盗贼”121 构型模型
121 构型报告
报告列出了 121 构型的六个设计要求：4 到 6 马赫的巡航能力、9,260 千米的作战半径、可在 1961~1963 年间投入作战、可投放C类战斗部（飞机的载弹量标称为 1,540 千克）、并列双座座舱、尺寸尽可能缩小以适应 B-58 挂载并降低制造成本
康维尔准备了关于 121 构型的高度详细报告，1958 年 3 月 3 日该报告被分为七大单独的部分：武器系统总结、设计功能和结构、空气动力学、稳定性和控制、导航，武器投放，侦察，及诱饵、推进与热力学、作战与地面支持。
121 构型载人级的座舱为并列双座布局，座舱前部有一个电子设备舱和前起落架舱。最前方是可用于配平操纵的可动机鼻，挂载在 B-58 机腹下时可向下折向后方。后机身内安装了设备舱、油箱、冲压发动机、涡喷发动机、以及降落滑撬。其中用于降落的 GE J85 涡喷发动机安装在后机身下方，后面是马夸特 MA24F 冲压发动机。在飞行时该机的燃油可在前后级间转移以平衡重心
121 构型的载人级长 15.33 米，机身呈“D”形截面，高 1.14 米宽 1.63 米。载人级总重 9,160 千克，空重 4,140 千克。
121 构型各部分横截面外形
121 构型的双人机组由飞行员和投弹手领航员组成，座舱安装了复式操纵系统，座椅后倾 45 度以尽量降低座舱高度。座舱玻璃在高速飞行时被金属盖遮蔽，此时由闭路电视系统为机组提供间接视觉
121 构型载人级冲压发动机示意图
载人级的前机身在降落时可下折 20 度，在进场和降落前液压动作器使前机身下折，同时动作器还充当接地后的减震器。
双人机组由飞行员和投弹手/领航员组成，座舱安装了复式操纵系统，座椅后倾 45 度以尽量降低座舱高度。座舱玻璃在高速飞行时被金属盖遮蔽，此时由闭路电视系统为机组提供间接视觉。
121 构型的消耗级长度近 15 米，最大直径 1.17 米。消耗级总重量 11,660 千克，空重 3,360 千克。 消耗级前机身是油箱和战斗部，前机身尾部安装有稳定裙边，前机身与消耗级分离后稳定裙边张开使战斗部飞向目标。后机身安装有另一个油箱和上单翼，两台马夸特 MA24F 冲压发动机安装在两侧翼身结合处。
“超级盗贼”消耗级模型，最前方是包含战斗部的弹头形前机身，前机身尾部有稳定裙边载人级翼展 5.79 米，翼面积 25.83 平方米，机翼前缘后掠角 75 度。消耗级翼展 7.01 米，翼面积 22.48 平方米，机翼前缘后掠角 35 度。
载人级有液压操纵的升降副翼、襟翼和方向舵等控制翼面，消耗级只有液压操纵的升降副翼和方向舵。因为在 4 到 6 马赫的速度下，充气轮胎无法承受此时的气动加热，所以使用了起落架滑撬。而前起落架收入有制冷的电子设备舱之间，所以仍安装了传统的高压轮胎。
“超级盗贼”载人级模型 4 马赫时该机的前缘温度估计高达 621 度，机身和机翼表面温度达 427 度，速度超过 5 马赫时前缘温至少 871 度。需要单独或综合采用冷却系统、陶瓷耐热、钛钼合金耐热这样的技术来承受气动加热，该机的发动机进气口和进气道也面临着相同的高温挑战。
康维尔定义了该机在不同发射条件下的任务剖面，包括是否 B-58 发射、发射高度、距目标的距离、使用 JP 燃油还是高能燃油。
康维尔还提出了“超级盗贼”安装助推火箭从地面机动火箭发射架上发射的几个备选方案，具有不同的助推火箭安装方式、不同的火箭型号和数量（一枚或者两枚）。康维尔推荐把助推器安装在飞机背部，但发射时由于 G 力和角度的关系需要调整飞行员坐姿，发射时飞行员呈仰卧姿态，升空转入平飞后改为 45 度后仰坐姿。
标准的 B-58 发射任务流程为：B-58 在 10,800 米高空以 2 马赫速度发射“超级盗贼”，寄生轰炸机迅速加速到 4 马赫并爬升到 21,900 米。在飞行 3,700 千米后消耗级分离并在 24,380 米高度释放战斗部。载人级的航程约 8,300 千米，足够返回发射基地。在整个过程中“超级盗贼”需要在 22,860 至 27,430 米高度以 4 马赫的速度飞行两个小时。
“超级盗贼”挂载在 B-58A 机身下方进行空中发射
载人级降落时的标准进场速度是 315 千米/时，接地速度 296 千米/时。滑撬即使在 2.44 米直径减速伞的帮助下，滑跑距离也要 1,200 米。
载人级的前机身也兼做逃生舱，在紧急情况下前后机身的铰链被切断，一个固体火箭发动机把前机身推离。随后逃生舱尾部展开一圈稳定减速裙边已降低速度，在速度降至 0.9 马赫，高度降至 9,150 米时逃生舱尾部释放出一个锥形减速伞。在速度进一步降至 0.25 马赫，高度降 6,100 米时逃生舱顶部的两个主伞打开。如果溅落水面时，逃生舱呈机鼻朝下的姿态漂浮。121 构型的乘员逃生系统可被视为 F-111 乘员逃生舱的雏形。
121 之后的构型
“超级盗贼”构型在 1958 年接下来的时间里继续进化，2 月的 124 构型在载人级增加了一台冲压发动机，4 月 的 130 构型通过把座舱顶部改为双曲线外形，在不增加迎风面积的情况下增大了头部空间。同月康维尔还探讨了搭载无动力载荷级取代消耗级的中程改型，专用于训练任务，无需抛掉有动力的消耗级。6 月出现了双翼构型，该机在不改变投影面积的情况下增加了翼面积。
康维尔还探讨了搭载无动力载荷级取代消耗级的中程改型，专用于训练任务，无需抛掉有动力的消耗级“超级盗贼”构型在 1958 年接下来的时间里继续进化，2 月的 124 构型在载人级增加了一台冲压发动机，4 月的 130 构型通过把座舱顶部改为双曲线外形，在不增加迎风面积的情况下增大了头部空间。1958 年 6 月出现了双翼构型，该机在不改变投影面积的情况下增加了翼面积。
