根据氦制冷系统的要求设计氦透平膨胀机,按透平膨胀机的整体热力性能及机械性能进行多目标优化方法设计,对氦透平膨胀机的结构形式、热力性能进行优化设计。对传统的Riccati传递矩阵法改进推导进行临界转速求解,提出一种切向进气的静压气体轴承结构形式,通过设置回气孔和轴向排气孔,提高主轴的失稳转速。通过现场氦气试车,氦透平膨胀机运转平稳,热力性能优异,表现出良好的整机性能,完全达到了氦制冷系统的设计要求。