直线型和同轴型脉管制冷机被广泛应用于空间领域，尤其是同轴型脉管制冷机。同轴型脉管制冷机结构紧凑且使用便利，而直线型脉管制冷机结构简单且制冷效率高。目前，对于两类脉管制冷机的理论比较研究相对较少，因此开展相应的比较研究很有意义。本文分析了两款不同结构的单级脉管制冷机（直线型和同轴型）。通过建立一维数值模型分析两款制冷机相关热力学参数的不同之处，从机理上揭示了不同结构会导致不同的制冷性能。通过比较两款制冷机的能量流及声功阻抗图，开展实验对两款制冷机性能进行测试和分析。结果表明：在相同的输入功率时，直线型脉管制冷机具有更高的制冷效率，而同轴型脉管制冷机可以达到更低的制冷温度（原因在于同轴型冷指的脉冲管置于回热器内部，会被回热器预冷）。通过比较发现，模拟数据和实验结果具有较好的一致性。

为了探索星载脉管制冷机相关参数对制冷性能的影响和提高制冷性能的一致性, 建立了基于机器学习的随机森林回归（Random Forest Regression, RFR）模型, 然后对制冷性能与各个自变量进行了回归预测。制冷性能预测的平均相对误差为5.62%, 平均确定性系数为0.805。按照特征重要度从高到低排序, 前两位分别为丝网填充率和磁感应强度, 与实际的实验结果相符（丝网填充率和磁感应强度的实际输入功的变化值分别为6.11 Wac和3.52 Wac, 远大于其他4个自变量）。研究结果表明, RFR具有较高的精确度和鲁棒性, 为提高星载脉管制冷机性能的一致性提供了新的思路。

低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声, 有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K, 采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小, 直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差, 影响成像质量, 为此设计了一种新型支撑结构, 一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变, 另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型, 来指导支撑结构热设计, 减小透镜内部温差。最后, 对透镜支撑的低温性能进行了测试, 实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至150 K, 支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时, 光学表面的最大变形小于1 λ(1 λ= 632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。

建立了阻抗匹配模型, 同时从冷指及压缩机两方面对制冷机性能进行优化.基于热声理论, 构建了30 K温区脉管冷指的一维DeltaEC理论模型, 优化了惯性管型单级脉管制冷机冷指和压缩机耦合的工作参数.从机理上分析了回热器填料、双段惯性管长度及气库体积对冷指声学阻抗及压缩机声功转化效率的耦合关系.搭建实验测试平台, 测试结果表明此单级脉管制冷机可以获得24.24 K的最低温度, 输入功227 W时可以在30 K获得1 W冷量, 可较好的满足空间红外探测器应用.

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比, 低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统, 并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至设计温度150 K, 继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中, 透镜保持完好, 验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明, 当光学系统的温度从300 K降至215 K时, 其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致, 验证了低温光学降噪的有效性。

由于脉冲管制冷机冷端没有运动部件, 具有可靠性高、寿命长、振动小等优点, 非常适合应用于空间领域。本文介绍了一款微型脉冲管制冷机的基本结构、数值模拟和实验性能, 其线性压缩机采用动磁式结构, 板弹簧支撑和间隙密封技术, 膨胀机的蓄冷器和脉冲管为同轴型布置, 这种结构使冷头与器件之间的耦合非常方便。使用 SAGE软件对脉冲管制冷机的调相机构进行数值模拟, 并对模拟结果进行实验验证。

回热器作为回热式低温制冷机的关键部件，其填充介质对整体性能影响很大。采用丙纶纤维作为回热器新型填充介质，对单级脉管制冷机进行了试验研究。对丙纶微尺度空间结构及物理性能进行了分析，基于充气压力分别为 3.5 MPa/3.0 MPa/2.8 MPa/2.5 MPa/2.0 MPa/1.5 MPa的工况下，进行了降温性能、频率性能、制冷性能试验，获取了最低制冷温度，最佳工作频率及最大比卡诺效率。研究结果表明，充气压力对丙纶填充回热器的制冷机整体性能影响较大，工作频率的影响不是很明显。最终获得了最大比卡诺效率 9.46%@170 K/10.06 W/77 W，最大制冷量为 5.47 W@120 K/2.5 MPa、12.02 W@150 K/3.0 MPa、16.49 W@170 K/3.0 MPa，并获得了 96.4 K的最低制冷温度。

由于具有效率高、可靠性强和寿命长等优点，斯特林型脉管制冷机在空间应用方面具有明显优势， 近年来也逐渐成为人们研究的热点领域。通过对国内外斯特林型脉管制冷机在空间应用中的最新研究进展进行分析，展望了斯特 林型脉管制冷机的应用前景和发展趋势。最后阐述了百赫兹脉管制冷机的研究现状及其关键技术。

在小型脉冲管制冷机(工作温度约60 K)上搭建了高温超导约瑟夫森结太赫兹谐波混频系统，并采取了一系列措施增强结与太赫兹波的耦合。所采取的措施主要有：研究不同基片对结的影响并最终选择MgO做为双晶结基片，设计平面周期对数天线，同时使用一个超半球硅透镜和两个离轴抛物面反射镜组成准光学系统。最终成功在小型脉冲管制冷机中获得结对623 GHz太赫兹波的响应，并且成功进行24次谐波混频实验。