空间探测领域的高速发展推动了低温技术的进步,低温探测器可实现更高的观测精度并捕捉更微弱的信号,液氦温区(1-10 K)是部分低温探测器的工作温度,在空间应用中具有重要作用。工作于液氦温区的预冷型J-T制冷机具有结构紧凑、制冷效率高、运行时间长等优势,在空间中得到了广泛应用。本文对这一技术展开了以下工作：1.系统地整理了国际上空间应用的液氦温区预冷型J-T制冷技术,回顾了这一技术的发展历程与最新进展,重点放在制冷机效率的比较和支撑密封等关键技术的梳理,提取出了实验研究中的问题与障碍并为本文的工作提供参考。高效可靠的无油J-T压缩机、预冷用的回热式制冷机、整机运行参数优化和稳定可靠运行、以及高效紧凑的间壁式换热器是研究中的关键问题。2.开展了工质分别为氮气和氦气的J-T循环热力学分析。对于氮气工质,循环的最大制冷量受制于高低压气体间最小的等温焓差,高压压力升高有利于增大最小等温焓差,讨论了间壁式换热器效率对制冷量的影响,预冷有利于提高制冷量。对于氦气工质,必须通过预冷才能获得液氦温区的制冷量。讨论了流体热物性、附加热负荷、轴向导热和流动分布不均对低温换热器效率的影响。3.建立了液氦温区预冷型J-T制冷机的数值模型,优化了J-T循环的高压压力和末级预冷温度,分析了最佳的参数组合。为减小末级换热器中由于流体物性变化产生的不可逆损失,提出了一种新的末级换热器结构,引入旁通J-T阀改变流量分布,通过平衡换热器两侧的水当量减小传热温差,从而减小不可逆损失并提高制冷机性能。4.开展了预冷型J-T制冷机的开式实验研究,获得了不同运行参数下的液氦温区制冷量,当末级预冷温度为17.36 K,压比为16,流量为11 mg/s时,在4.46 K获得82.74 mW的制冷量。蒸发器出口带液导致实验结果与数值模型存在偏差,通过修正数值模型中蒸发器出口的条件获得了与实验一致的结论。