本发明涉及飞行器热管理技术领域，具体而言，涉及一种飞行器梯级冷却系统。系统包括供液装置、冷却装置。供液装置用于存储和供给冷却介质，其与冷却装置的第一冷却组件、第二冷却组件依次连通。第二冷却组件的外壳单元中，进液口、出气口分别设置在壳体的相邻两侧壁上。冷却单元和发热单元设置在壳体内部。冷却单元中，第一隔板、第二隔板分别邻近设置在壳体的两端。出气口与回流腔连通。第二隔板中，支撑板与导流板固定连接。导流孔间隔设置在导流板上，将冷却腔与回流腔连通。冷却管道间隔设置在回流腔内。分流腔通过冷却管道和喷头与冷却腔连通。发热单元与壳体可拆卸连接。这样就解决了如何高效利用冷却介质进行梯级换热的问题。