本发明公开了一种预冷发动机能量梯级系统及其设计方法，该系统包括高温模块、中温模块及低温模块，三个模块均为氦气回路，所述氦气回路分别与空气管道和液氢管道进行换热，空气管道内和液氢管道内的工质流动方向相反；其中，高温模块位于空气管道的入口端，即液氢管道的出口端；低温模块位于空气管道的出口端，即液氢管道的入口端；中温模块位于高温模块和低温模块之间；每个模块内均包括两个以上的闭式布雷顿单元，每个闭式布雷顿单元均包括：两个或三个换热器、一个压缩机和一个涡轮；换热器、压缩机和涡轮通过管路串联组成一个封闭回路；本发明能够根据预冷发动机的使用需求，完成对不同推力和比冲性能需求的预冷发动机热力循环的设计。