空间红外探测是对地和对空信息获取的重要手段,低温制冷机是红外探测载荷的关键元部件。中国科学院上海技术物理研究所在空间用双驱动斯特林制冷机、气动斯特林制冷机和脉管制冷机方面,开展了长期研究,目前已有28台套在轨稳定运行。近年来,空间红外探测技术获得飞速发展,探测器已经发展到长线列或者大面阵的万元甚至百万元大规模探测器,工作波段涉及短波、中长波,至甚长波波段。对地观测精度达到地球同步轨道的几十米级、太阳同步轨道的亚米级,单颗星制冷机台套数需求至近10台套,系列组网星同时往高轨几颗星和中低轨几十颗星的星座组网发展,对空间低温制冷机提出更大冷量、更低温度、更高效率、更低振动输出、更高一致性等要求。本文在深入理解应用迫切需求的基础上,以脉管制冷机为研究对象,针对核心部件直线电机、回热填料及惯性管的关键技术,本研究提出了回热器填充时的不均匀孔隙率与边缘间隙的仿真方法并给出了其对性能影响的量化分析、线性电机不同结构形式的仿真方法和颤振抑制方法、以及不同散热面温度下惯性管适应性优化方法,对其精细化仿真中的关键技术开展深入研究,以进一步提高制冷机的整体效率、降低振动输出,并具有更宽的环境温度适应性、更高的小批量生产性能一致性。搭建了脉管制冷机的综合测试实验台,针对上述三项关键技术进行实验验证。具体开展工作如下:1)构建直线电机二维/三维精细化仿真模型以提高电机效率并研究振动输出特性直线电机铁芯损耗和压缩机颤振输出是影响制冷机效率以及工程应用的关键,针对此开展了理论分析与实验研究。对比软磁材料不割缝与均匀割缝两种状态,分析了铁损随输入功率、激励频率的变化规律,比较了二维和三维两种仿真值与实验值的差距。研究了双活塞对置式压缩机的轴向颤振,仿真分析了两侧板簧刚度、动子质量、磁感应强度不一致对电机的一阶颤振力影响,两侧动子轴向相对位置对二阶轴向颤振力的影响,并提出了工艺改进方案,对以上理论分析进行了实验验证。2)研究回热器分段孔隙率及边缘间隙对制冷性能影响规律回热器不锈钢丝网填料的填充情况是保障冷指性能的关键,针对填充过程中的分段孔隙率特性与边缘间隙特性开展了理论与实验研究。对比了10W@80K设计的冷指均匀孔隙率填充和分段差异孔隙率填充对制冷性能的影响规律。当惯性管调相参数和冷指主结构不变时,在较低的制冷温度下,采用低温段低孔隙率和高温段高孔隙率填充时,将偏离制冷机最优阻抗分布,不利于提高制冷性能,而制冷温度较高时分段孔隙率填充的阻抗偏移后仍在较优范围内有利于提升制冷性能。同时,开展了不同回热器边缘间隙下的回热器及冷指性能影响研究。随着回热器中部间隙宽度增大,回热器损失增加并导致制冷效率降低。3)研究温度对惯性管影响特性并实现宽环境温度下高效调相惯性管是调节脉管制冷机相位分布的部件,工程应用中惯性管温度受环境温度变化而变化,其温度变化影响调相能力从而影响制冷性能。对惯性管在不同温区下提供的阻抗进行了模拟分析,通过偏离最优阻抗距离最小化来设计最优的惯性管长度。分别在243 K、293 K和313 K温区优化了三组气库惯性管,针对这三组惯性管对制冷机在不同散热面温区下的制冷性能开展了实验和模拟研究。随着三组惯性管偏离各自的最优散热面温度,冷指制冷性能衰减。当各个惯性管工作在对应的最优温区时,制冷性能接近。当环境温度变化时,通过调节惯性管长度可以实现不同环境温度下的高效调相,并进行了实验验证。4)基于精细化仿真技术实现两款脉管制冷机优化设计基于三个部件关键技术的精细化仿真方法,分别针对PTC40-170和PTC2-40两款脉管制冷机的研制进行了优化设计,优化调整直线电机、回热器填充以及惯性管长度等参数。此外在多款工程制冷机上应用了精细化仿真方法后,电机效率显著提升,压缩机颤振力输出明显减小,制冷机产品的一致性获得提升。