高频脉冲管制冷机具有冷端无运动部件、体积小、重量轻、可靠性高、长寿命等优点。近些年，随着制冷机的工程化经验的持续积累和效率的不断提升，脉冲管制冷机已经进入了工程化应用阶段，成为了空间小型低温制冷机的重要组成部分。与此同时，空间红外探测技术已经从单元探测器时代走向了长线列、大面阵多元探测器时代。在上述背景下，利用U型脉冲管制冷机中蓄冷器和脉冲管平行并列结构的特点，构建空间大冷面制冷平台成为了脉冲管制冷机应用型研究的重要课题。因此，本文瞄准空间多元红外探测技术对制冷平台的新要求，以脉冲管制冷机基本原理为基础，开展了针对U型脉冲管制冷机的理论分析以及实验优化工作。本文主要研究内容及结论包括:　　1U型脉冲管制冷机各部件内部微元热力学过程及冷端连管影响的分析　　采用数值计算软件FLUENT对高频U型脉冲管制冷机冷指进行了数值计算。在此基础上，采用基于拉格朗日观点的后处理方法，研究了蓄冷器、冷端换热器以及脉冲管内部气体微元的热力学过程，量化了各部件内的功热转换规律。并将上述结论运用到U型脉冲管制冷机中，从热力学循环的角度分析了U型脉冲管制冷机冷端的泵热损失。进而采用该数值计算的方法对不同长度、不同内径以及不同冷端布置方式的U型脉冲管制冷机进行了计算。比较了它们对质量流量、相位差、PV功等参数的影响。　　2U型脉冲管制冷机冷端气体一维建模　　基于Lagrange观点，针对U型脉冲管制冷机冷端结构建立了一维流动模型。通过该模型计算和分析了冷端气体的一维流动过程以及在此过程中的温度变化和换热过程，研究了连管的长度、换热状况等因素对制冷机性能的影响。　　3组合惯性管调相机构的数值计算与分析　　基于CFD数值计算方法，针对组合惯性管调相机构进行了计算和分析。首先，针对某一组合惯性管研究了入口动态压力波幅值和频率对其流动参数的影响。其次研究了在固定入口参数条件下，不同尺寸的组合惯性管内部流动参数的变化情况。根据计算结果总结分析了组合惯性管调相机构的调相规律。　　4U型脉冲管制冷机样机设计及实验优化　　以RENGEN3.3和经验数据为基础设计了一台5W@80K级的U型脉冲管制冷机。在上述设计的基础上，从冷端结构及层流化方式、脉冲管长度、蓄冷器长度、调相机构以及运行参数等方面进行了系统的实验优化工作。并通过实验验证了前文关于U型脉冲管制冷机冷端结构影响的理论研究工作。该制冷机在输入电功率100W时的制冷性能为4.3W@77.36K。在5W@80K级制冷机的设计基础上，设计了一台10W@80K级的U型脉冲管制冷机，并对其调相机构进行了实验优化。该制冷机在输入电功200W时的制冷性能为7W@80.14K，该研究为更大冷量的U型脉冲管制冷机的设计和研究工作奠定了一定的基础。