近年来,随着空间探索技术的蓬勃发展,先进的空间探测器件要求低温制冷机在低振动、高可靠基础上提供更低的制冷温度。斯特林型脉管制冷机具有高可靠性、低振动以及集成性好等优点,在空间探测器冷却中发挥着重要的作用。红外天文观测中利用中远红外波段探测复杂宇宙环境中微弱信号,需要提供5～7 K的低温环境,目前国际上的三级脉管在该温区冷量较小且效率普遍较低。JWST望远镜采用了三级脉管耦合节流的方案实现6 K制冷,虽然满足了较大冷量的应用,却也存在系统复杂的问题。提升脉管制冷机在5～7 K温区的制冷量及效率,是我国未来空间红外天文探测的重要保障。本文以三级脉管制冷机为研究基线,以实现5～7 K温区大冷量制冷为目标,开展具体工作如下:1)明确液氦温区脉管制冷机关键变量,有序开展各级脉管参数设计针对三级脉管制冷机多参数变量的设计与优化难题,在热力学分析的基础上引入随机森林学习算法,对脉管制冷机热动力学模型特征参数进行重要性评估和性能预测,提出本研究中三级脉管制冷机优化思路。基于REGEN等数值计算程序,按照运行参数-低温段回热器-高温段回热器-脉管-调相机构的顺序依次对各级脉管冷指进行结构优化设计。2)以三级预冷需求为目标,优化第二级液氢温区脉管冷指回热器及调相参数基于数值模拟,对比分析了高目数不锈钢丝网与磁性颗粒作为低温区回热填料的不可逆损失特性,实验研究了两者在液氢温区脉管制冷机中的制冷特性。对比了惯性管气库调相和主动调相时第二级液氢温区脉管冷指性能及阻抗分布特性,获得不同制冷温度变化时的相位调节策略。最终,采用低温段回热器混填和主动活塞调相的第二级脉管冷指最低温度达8.91 K,15 K冷量超过0.6 W,20 K冷量大于1.5 W,满足第三级脉管冷指预冷需求。3)以5～7 K脉管制冷机大冷量为目标,开展多参数耦合优化及实验研究针对5～7 K温区脉管冷指中回热器填充、低温惯性管尺寸、预冷温度及运行参数等作用机制耦合问题,开展数值分析和实验研究以明晰各因素具体影响。利用REGEN和Delta EC软件,研究了回热器填充方式与低温惯性管气库参数对性能的影响机制。针对热耦合三级脉管制冷机样机,开展不同运行参数与预冷温度下的性能测试及耦合特性实验研究。建立实验数据样本,利用随机森林与多元拟合分析,得到制冷机性能与特征参数的相关程度和关联式。研制的三级脉管制冷机,在压缩机总功耗500 W左右时,获得3.96 K的最低制冷温度,在5 K、6 K和7 K时分别可以提供24 m W、79 m W和145 m W的最大制冷能力。研制的热耦合三级脉管制冷机,在5～7 K温区可以提供较大冷量,制冷效率优于目前国内外报导的同类型脉管制冷机,为我国红外天文等探测提供方案选择及低温技术支撑。