本发明涉及一种飞机周期性大功率密度热载荷的喷雾冷却系统和方法，包括喷雾冷却子系统和末端冷却回路子系统。喷雾冷却子系统通过喷雾工质雾化喷洒在热源表面，利用引射器将吸热后的工质抽吸到相变换热器，将热源端的热量高效地转移到整个相变材料内部。末端冷却回路子系统对相变材料换热器中的冷却工质进行持续冷却，通过初级换热器预冷，之后根据所需散热负荷的大小，控制燃油换热器和冲压空气换热器的切换，实现系统与外界的散热。本发明将飞机航电设备产生的周期性大功率密度的热量吸收，将峰值发热功率散发的热量暂时储存起来，起到关键的缓冲作用，使喷雾冷却系统以较小的体积达到了理想的散热效果，节省了成本，提高了可靠性。