随着中国新一代航天器技术的发展，航天器功能密集度增高，表面敏感部件增多，设计寿命增长，特别是大量新型复合材料、聚合物材料的使用，微电子线路集成度不断提高，使航天器对空间环境效应的影响变得更加敏感，原来没有引起足够重视的空间特殊环境效应对航天器的影响变得日益突出，成为影响航天器长寿命高可靠的关键因素。空间特殊环境效应诱导的航天器在轨故障问题将变得更加突出，因此加强航天器空间特殊环境试验技术研究，避免或减轻空间特殊环境效应对卫星可靠性及设计寿命的影响，对中国空间技术的发展至关重要。

2013年6月前能够满足航天器高低温试验的试验系统有高低温实验箱，这种试验箱系统采用电加热器为系统提供热量，采用液氮喷淋方式为系统提供冷量，系统为开式循环系统，加热或冷却后的气氮通过高低温实验箱后直接排出室外，造成了热量和冷量的直接浪费，且高低温实验箱的工作温度一般在-50℃～+50℃，工作温度区间狭小，升降温速度慢，温度均匀性差。2013年6月前能够用于航天器高低温试验，并拥有发明的高低温实验箱并没有检索到。

《高低温环境模拟实验系统》的高低温环境模拟试验系统，其工作温度为-120℃～+170℃，升降温速度为3℃/分钟～10℃/分钟，温度均匀度为±3℃。主要针对卫星天线、太阳电池阵的高低温环境下的零重力展开试验。同时该系统还能够实现不同高低温运行工况下的快速温变试验、高温保温试验、低温保温试验。^[1]

《高低温环境模拟实验系统》包括一高低温实验箱、气体置换组件、快速升温保温组件、快速降温保温组件；所述气体置换组件、快速升温保温组件、快速降温保温组件分别与所述高低温实验箱连接；所述气体置换组件用于将所述高低温实验箱中的空气置换成超低露点的高纯气氮，所述快速升温保温组件用于将所述高低温实验箱内部加热到需要的温度并在一段时间内维持该温度，所述快速降温保温组件用于将所述高低温实验箱降温到需要的温度并在一段时间内维持该温度。

较佳地，所述气体置换组件包括液氮储槽、气动调节阀、水浴汽化器、稳压罐、减压阀、电加热器、第二气动调节阀、第三气动调节阀门、循环热风机、第四气动调节阀、第五气动调节阀、第六气动调节阀；

所述液氮储槽右出口的左支路与所述气动调节阀的进口连接，所述气动调节阀的出口与所述水浴汽化器的进口连接，所述水浴汽化器的出口与所述稳压罐的进口连接，所述稳压罐的出口与所述减压阀的进口连接，所述减压阀的出口与所述电加热器的进口连接，所述电加热器的出口下支路与所述气动调节阀门的进口连接，所述第二气动调节阀的下出口与所述循环热风机的进口连接，所述第二气动调节阀门的左出口与所述第三气动调节阀的进口连接，所述循环热风机的右出口与所述第四气动调节阀进口连接，所述循环热风机的左出口与所述第三气动调节阀出口连接，所述第四气动调节阀的出口与所述高低温实验箱的底部风口连接，高低温实验箱的顶部风口左出口与所述第五气动调节阀的进口连接，所述第五气动调节阀的出口与大气环境相通，置换后的气体通过所述第五气动调节阀直接排出室外。

较佳地，所述快速升温保温组件包括循环热风机、气动调节阀、第二气动调节阀、高低温实验箱、第三气动调节阀、第四气动调节阀、电加热器、第五气动调节阀、第六气动调节阀、气动截止阀；

所述循环热风机的右出口与所述气动调节阀进口连接，循环热风机的左出口与所述第二气动调节阀出口连接，所述气动调节阀的出口与所述高低温实验箱的底部风口连接，高低温实验箱的顶部风口上出口与所述第四气动调节阀的进口连接，所述第四气动调节阀的出口与电加热器的进口连接，电加热器的出口与所述第五气动调节阀的进口连接，所述第五气动调节阀的出口与循环热风机的上进口连接，循环热风机的左进口与所述第六气动调节阀的进口连接，所述气动截止阀的进口连接在循环风机和所述气动调节阀之间的管路上，出口与大气环境相通，在快速升温和高温保温过程，通过气动截止阀的实时排气，保持试验系统内的压力稳定。

较佳地，所述快速降温保温组件包括循环冷风机、气动调节阀、气液换热器、第二气动调节阀、电加热器、第三气动调节阀、液氮调节阀组、第四气动调节阀、液氮储槽、第五气动调节阀、空裕汽化器、气动截止阀；

所述循环冷风机的上出口与气液换热器进口连接，循环冷风机的左出口与气动调节阀的出口连接，气液换热器的出口与第二气动调节阀的下进口连接，第二气动调节阀的上出口与电加热器的出口连接，电加热器的进口与第三气动调节阀的进口连接，第三气动调节阀的出口与高低温实验箱的顶部风口连接，高低温实验箱的底部风口与第四气动调节阀的进口连接，第四气动调节阀的出口与循环冷风机的上进口连接，气动调节阀的进口与循环冷风机的左进口连接，液氮储槽的左出口与第五气动调节阀的进口连接，第五气动调节阀的出口与空浴汽化器的进口连接，空浴汽化器的出口与所述气动截止阀的进口连接，气动截止阀的出口接入快速降温和低温保温过程的电加热器出口气动调节阀之间的管路上，液氮储槽的右出口的左支路与液氮调节阀组的进口连接，液氮调节阀组的出口与气液换热器的左进口连接，气液换热器的左出口与第二气动调节阀的左出口连接。

较佳地，气氮与液氮在所述气液换热器内部进行热量交换，液氮获得气氮的热量全部汽化为气氮，气氮获得液氮的汽化潜热，温度降低。

较佳地，所述空浴汽化器将液氮汽化成温度低于环境温度的低温气氮，所述水浴汽化器将液氮汽化为常温气氮。

较佳地，所述循环冷风机的工作温度为-150℃至常温，所述循环热风机的工作温度为常温至200℃。

较佳地，所述高低温实验箱采用复合保温材料进行墙体保温，所述高低温实验箱工作在-120℃～170℃之间的任一温度，保温4小时以上。

较佳地，气氮能在所述电加热器内双向流动，所述电加热器工作电压为380伏。

较佳地，所述高低温实验箱顶部采用孔板均匀送风，底部同样采用孔板均匀送风。^[1]

（1）根据系统内压力的变化采用气动截止阀自动排气，调节系统内压力，避免了传统高低温箱系统开式加热方式下的液氮浪费，以及换热后高温气氮直接排放造成的热量浪费和环境热污染等问题，同时大大减少了电加热器的负荷，节约了能源；

（2）根据系统内气氮压力的变化，采用空浴汽化器小流量的补充系统气氮，优化了传统开式循环系统的低温气氮排放造成的液氮浪费和冷量损失，大大减少了系统的冷量供给；

（3）顶部采用孔板送风，底部同样采用孔板送风，并根据气体流动特性，快速降温和低温保温过程采用上送下回的送风方式，快速升温和高温保温采用下送上回的送风方式，不仅提高了高低温实验箱内的温度均匀性，而且减少了系统压力降，减少了风机负荷；

（4）高低温实验箱采用复合保温的墙体保温方式，能够实现-120℃～+170℃温度区间工作时，高低温实验箱外表面不结露；

（5）采用循环冷热风机系统，循环冷热风机各自选择合适的工作温度区间运行，保证了循环风机的使用可靠性，提高了循环风机的使用寿命，并保证了综合环境模拟系统的大温差运行。

当然，实施《高低温环境模拟实验系统》的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。^[1]

图1为《高低温环境模拟实验系统》提供的实施例的结构示意图。^[1]

《高低温环境模拟实验系统》涉及的是一种深冷和高温供热技术领域的高低温环境模拟试验系统，尤其涉及的是液氮制冷和供热技术领域的高低温环境模拟试验系统。^[1]

1.一种高低温环境模拟实验系统，其特征在于，包括一高低温实验箱、气体置换组件、快速升温保温组件、快速降温保温组件；所述气体置换组件、快速升温保温组件、快速降温保温组件分别与所述高低温实验箱连接；所述气体置换组件用于将所述高低温实验箱中的空气置换成超低露点的高纯气氮，所述快速升温保温组件用于将所述高低温实验箱内部加热到需要的温度并在一段时间内维持该温度，所述快速降温保温组件用于将所述高低温实验箱降温到需要的温度并在一段时间内维持该温度。

2.如权利要求1所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述气体置换组件包括液氮储槽、气动调节阀、水浴汽化器、稳压罐、减压阀、电加热器、第二气动调节阀、第三气动调节阀门、循环热风机、第四气动调节阀、第五气动调节阀、第六气动调节阀；所述液氮储槽右出口的左支路与所述气动调节阀的进口连接，所述气动调节阀的出口与所述水浴汽化器的进口连接，所述水浴汽化器的出口与所述稳压罐的进口连接，所述稳压罐的出口与所述减压阀的进口连接，所述减压阀的出口与所述电加热器的进口连接，所述电加热器的出口下支路与所述气动调节阀门的进口连接，所述第二气动调节阀的下出口与所述循环热风机的进口连接，所述第二气动调节阀门的左出口与所述第三气动调节阀的进口连接，所述循环热风机的右出口与所述第四气动调节阀进口连接，所述循环热风机的左出口与所述第三气动调节阀出口连接，所述第四气动调节阀的出口与所述高低温实验箱的底部风口连接，高低温实验箱的顶部风口左出口与所述第五气动调节阀的进口连接，所述第五气动调节阀的出口与大气环境相通，置换后的气体通过所述第五气动调节阀直接排出室外。

3.如权利要求1所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述快速升温保温组件包括循环热风机、气动调节阀、第二气动调节阀、高低温实验箱、第三气动调节阀、第四气动调节阀、电加热器、第五气动调节阀、第六气动调节阀、气动截止阀；所述循环热风机的右出口与所述气动调节阀进口连接，循环热风机的左出口与所述第二气动调节阀出口连接，所述气动调节阀的出口与所述高低温实验箱的底部风口连接，高低温实验箱的顶部风口上出口与所述第四气动调节阀的进口连接，所述第四气动调节阀的出口与电加热器的进口连接，电加热器的出口与所述第五气动调节阀的进口连接，所述第五气动调节阀的出口与循环热风机的上进口连接，循环热风机的左进口与所述第六气动调节阀的进口连接，所述气动截止阀的进口连接在循环风机和所述气动调节阀之间的管路上，出口与大气环境相通；在快速升温和高温保温过程，通过气动截止阀的实时排气，保持试验系统内的压力稳定。

4.如权利要求1所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述快速降温保温组件包括循环冷风机、气动调节阀、气液换热器、第二气动调节阀、电加热器、第三气动调节阀、液氮调节阀组、第四气动调节阀、液氮储槽、第五气动调节阀、空裕汽化器、气动截止阀；所述循环冷风机的上出口与气液换热器进口连接，循环冷风机的左出口与气动调节阀的出口连接，气液换热器的出口与第二气动调节阀的下进口连接，第二气动调节阀的上出口与电加热器的出口连接，电加热器的进口与第三气动调节阀的进口连接，第三气动调节阀的出口与高低温实验箱的顶部风口连接，高低温实验箱的底部风口与第四气动调节阀的进口连接，第四气动调节阀的出口与循环冷风机的上进口连接，气动调节阀的进口与循环冷风机的左进口连接，液氮储槽的左出口与第五气动调节阀的进口连接，第五气动调节阀的出口与空浴汽化器的进口连接，空浴汽化器的出口与所述气动截止阀的进口连接，气动截止阀的出口接入快速降温和低温保温过程的电加热器出口气动调节阀之间的管路上，液氮储槽的右出口的左支路与液氮调节阀组的进口连接，液氮调节阀组的出口与气液换热器的左进口连接，气液换热器的左出口与第二气动调节阀的左出口连接。

5.如权利要求2或3或4所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，气氮与液氮在所述气液换热器内部进行热量交换，液氮获得气氮的热量全部汽化为气氮，气氮获得液氮的汽化潜热，温度降低。

6.如权利要求2或3或4所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述空浴汽化器将液氮汽化成温度低于环境温度的低温气氮，所述水浴汽化器将液氮汽化为常温气氮。

7.如权利要求2或3或4所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述循环冷风机的工作温度为-150℃至常温，所述循环热风机的工作温度为常温至200℃。

8.如权利要求2或3或4所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述高低温实验箱采用复合保温材料进行墙体保温，所述高低温实验箱工作在-120℃～170℃之间的任一温度，保温4小时以上。

9.如权利要求2或3或4所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，气氮能在所述电加热器内双向流动，所述电加热器工作电压为380伏。

10.如权利要求2或3或4所述的高低温环境模拟实验系统，其特征在于，所述高低温实验箱顶部采用孔板均匀送风，底部同样采用孔板均匀送风。^[1]

《高低温环境模拟实验系统》提供了一种高低温环境模拟实验系统，其包括一高低温实验箱、气体置换组件、快速升温保温组件、快速降温保温组件；所述气体置换组件、快速升温保温组件、快速降温保温组件分别与所述高低温实验箱47连接；所述气体置换组件用于将所述高低温实验箱47中的空气置换成超低露点的高纯气氮，所述快速升温保温组件用于将所述高低温实验箱47内部加热到需要的温度并在一段时间内维持该温度，所述快速降温保温组件用于将所述高低温实验箱47降温到需要的温度并在一段时间内维持该温度。^[1]

所述气体置换组件包括液氮储槽48、气动调节阀70、水浴汽化器53、稳压罐54、减压阀55、电加热器66、气动调节阀67、气动调节阀门63、循环热风机64、气动调节阀70、气动调节阀68、气动调节阀69；

液氮储槽48右出口的左支路与气动调节阀52的进口连接，气动调节阀52的出口与水浴汽化器53的进口连接，水浴汽化器53的出口与稳压罐54的进口连接，稳压罐54的出口与减压阀55的进口连接，减压阀55的出口与电加热器66的进口连接，电加热器66的出口下支路与气动调节阀门67的进口连接，此过程中电加热器66出口上支路的气动调节阀门59关闭，气动调节阀门67的下出口与循环热风机64的进口连接，气动调节阀门67的左出口与气动调节阀63的进口连接，循环热风机64的右出口与气动调节阀70进口连接，循环热风机64的左出口与气动调节阀63出口连接，气动调节阀70的出口与高低温实验箱47的底部风口连接，高低温实验箱47的顶部风口左出口与气动调节阀68的进口连接，高低温实验箱47的顶部风口上出口与气动调节阀69的进口连接，置换过程中气动调节阀69关闭，气动调节阀68的出口与大气环境相通。置换后的气体通过气动调节阀68直接排出室外。

所述快速升温保温组件包括循环热风机64、气动调节阀70、高低温实验箱47、气动调节阀68、电加热器66、气动调节阀67、气动调节阀69、气动调节阀63、气动截止阀65；

循环热风机64的右出口与气动调节阀70进口连接，循环热风机64的左出口与气动调节阀63出口连接，气动调节阀70的出口与高低温实验箱47的底部风口连接，高低温实验箱47的顶部风口上出口与气动调节阀69的进口连接，高低温实验箱47的顶部风口左出口与气动调节阀68的进口连接，快速升温和高温保温中气动调节阀68关闭，气动调节阀69的出口与电加热器66的进口连接，电加热器66的出口与气动调节阀67的进口连接，气动调节阀67的出口与循环热风机64的上进口连接，循环热风机64的左进口与气动调节阀63的进口连接。气动截止阀65的进口连接在循环风机和气动调节阀70之间的管路上，出口与大气环境相通，在快速升温和高温保温过程，通过气动截止阀65的实时排气，保持试验系统内的压力稳定。

所述快速降温保温组件包括循环冷风机62、气动调节阀61、气液换热器60、第二气动调节阀59、电加热器66、气动调节阀69、气动调节阀70、液氮储槽48、气动调节阀49、空裕汽化器、气动截止阀51；

循环冷风机62的上出口与气液换热器60进口连接，循环冷风机62的左出口与气动调节阀61的出口连接，气液换热器60的出口与气动调节阀59的下进口连接，气动调节阀59的上出口与电加热器66的出口连接，电加热器66的进口与气动调节阀69的进口连接，气动调节阀69的出口与高低温实验箱47的顶部风口连接，高低温实验箱47的底部风口与气动调节阀70的进口连接，气动调节阀70的出口与循环冷风机62的上进口连接，气动调节阀61的进口与循环冷风机62的左进口连接。液氮储槽48的左出口与气动调节阀49的进口连接，气动调节阀49的出口与空浴汽化器50的进口连接，空浴汽化器50的出口与气动截止阀51的进口连接，气动截止阀51的出口接入快速降温和低温保温过程的电加热器66出口气动调节阀59之间的管路上，液氮储槽48的右出口的左支路与液氮调节阀组56的进口连接，液氮调节阀组56的出口与气液换热器60的左进口连接，气液换热器60的左出口与气动调节阀59的左出口连接。液氮调节阀组56是由气动调节阀57和气动调节阀58并联组成。

置换装置的工作原理为：液氮储槽48流出的液氮经过气动调节阀52调节到适当的流量后进入水浴汽化器53，液氮在水浴汽化器53中汽化成常温气氮后流入稳压罐54，压力稳定后，经过减压阀55减压到设定压力后流入电加热器66，气氮在电加热器66内加热到设定温度的气氮，经气动调节阀67调节流量后，在循环热风机64的驱动下从高低温实验箱47底部风口进入高低温实验箱47，吹扫高低温实验箱47内的空气，置换后的混合气体通过气动调节阀68排出室外，置换过程的目的主要是为了将原箱体内的湿空气置换成超低露点的高纯气氮，保护航天产品中对湿度极为敏感的镀膜部件。

快速升温保温组件的工作原理为：置换后，系统内充满高纯气氮，气氮被电加热器66加热，在循环热风机64的驱动下进入高低温实验箱47，与试验室换热，试验室内温度升高，换热后的气氮温度降低，温度较低温气氮再次流入电加热器66，被加热成较高温度的气氮后进入高低温实验箱47，如此反复，高低温实验箱47最终被加热到系统设定的温度，并保持在此温度下运行不小于4小时。在此封闭式的加热循环过程中，随着高低温实验箱47系统温度的升高，系统内的气氮密度减小，体积膨胀。因此，为了保证高低温实验箱47内的压力稳定在300Pa左右，气动截止阀65根据控制系统的要求实时自动的开启，将多余气体排出室外。

快速降温保温组件的工作原理为：置换后，系统内充满高纯气氮，气氮与气液换热器60热交换被冷却降温，降温后的气氮在循环冷风机62的驱动下从高低温实验箱47的顶部风口进入高低温实验箱47，与试验室换热，试验室内温度降低，换热后的气氮温度升高，温度较高的气氮再流入气液换热器60，被冷降温气氮后的气氮再次进入高低温实验箱47，如此反复，高低温试验最终被降温到系统设定的制冷温度，并保持在此温度下运行不小于4小时。在此封闭式的快速降温和低温保温循环过程中，随着高低温实验箱47系统内气氮温度的降低，系统内的气氮密度增大，高低温实验箱47内的压力降低。因此，为了保证高低温实验箱47内的压力稳定在300Pa，来自空浴汽化器50的气氮在气动截止阀51的实时开启下进入冷循环系统，补充气氮，保持室内压力稳定。^[1]

具体该置换装置的置换过程为：开启气动调节阀52、减压阀55、气动调节阀67、气动调节阀70和气动调节阀68。开启电加热器66。系统的其他阀门和设备处于关闭和停机状态。液氮储槽48流出的液氮在水浴汽化器53中汽化成常温气氮，并经过电加热器66加热成高于环境温度的气氮，进入高低温实验箱47，对高低温实验箱47内的空气进行置换，置换后的混合气体通过气动调节阀68排出室外，置换过程中始终检测高低温实验箱47内的水分子含量，当对应水分子的含量使得高低温实验箱47内部的露点温度在-50℃以下时，置换过程结束。

具体该快速升温保温组件的工作过程为：开启气动调节阀70、气动调节阀69、气动调节阀67和气动调节阀63，开启电加热器66，开启循环热风机64，并根据高低温实验箱47内的压力反馈信心实时开启和关闭气动截止阀65。系统其他阀门和设备处于关闭和停机状态。气氮在循环热风机64的驱动下，在系统内循环，高低温实验箱47通过气氮循环不断地获得电加热器66提供给气氮的热量，温度逐渐上升，当高低温实验箱47内的温度升高到设定温度，调整系统内电加热器66的加热量，使系统维持设定温度下的保温状态，并保温较长时间。从系统的加热循环流程可以看出，与传统高低温箱开式环境试验系统相比，此闭式循环系统可以显著的降低气氮的需求量，减少加热器的热负荷。

该快速降温保温组件的工作过程为：开启气动调节阀59、气动调节阀69、气动调节阀70、气动调节阀61和液氮调节阀组56，开启循环冷风机62。系统内的循环气氮从气液换热器60获得冷量供给高低温实验箱47，高低温实验箱47内的温度逐渐降低，当降低到给定温度时，通过液氮调节阀组56调节系统的冷量供给，使高低温实验箱47处于保温状态，并保温较长时间。在此循环过程中，通过检测高低温实验箱47内的压力变化，实时调节气动截止阀51和气动调节阀49的开启和关闭，保持高低温实验箱47内的压力稳定。从系统的快速降温和低温保温循环流程可以看出，与传统开式高低温实验箱47系统相比，该闭式循环系统可以显著的降低气氮的需求量，并减少气液换热器60的冷负荷。同时该闭式循环系统可以显著的降低液氮的需求量，节约试验成本。

《高低温环境模拟实验系统》提供的工作流体为液氮和气氮，液氮通过水浴汽化器53汽化为系统提供置换和循环气氮；通过空浴汽化器50为系统快速降温过程和低温保温过程补给循环气氮，气液换热器60的特征为：气氮与液氮在气液换热器60内部进行热量交换，液氮获得气氮的热量全部汽化为气氮，气氮获得液氮的汽化潜热，温度降低。液氮汽化后的气氮与降温后的气氮在气液换热器60的出口处混合在一起，气液换热器60的这种结构可以更充分的利用液氮的汽化潜热和显热；液氮调节阀组56的特征为：液氮调节阀组56由两个不同通径的气动调节阀组成，两个调节阀的流量调节范围不同，可以更有效的调节气液换热器60的冷量供给范围；空浴汽化器50的特征为：液氮在空浴汽化器50中汽化成温度低于环境温度的低温气氮，汽化温度可在一定范围内进行调节；液氮在水浴汽化器53中汽化成常温气氮；循环冷风机62的工作温度为-150℃至常温，且在工作过程中外表面不结露；循环热风机64的工作温度为常温至200℃，且在工作过程中外表面温度不超过40℃；高低温实验箱47采用复合保温材料进行墙体保温，使得高低温实验箱47能够工作在-120℃～170℃之间的任一温度，且保温4小时以上，温度均匀度为±3℃，外表面不结露。试验室顶部采用孔板均匀送风，底部同样采用孔板均匀送风。根据气体流动原理，快速降温和低温保温过程中，高低温实验箱47采用顶部风口送风，底部风口回风的送风方式；快速升温和高温保温过程中，高低温实验箱47采用底部风口送风，顶部风口回风的送风方式；置换过程中的送风方式与快速升温和高温保温过程相同；气氮可以在电加热器66内双向流动，电加热工作电压380伏。置换过程，快速升温和高温保温过程以及快速降温和低温保温过程的管路系统在高低温实验箱47的进出口处有重叠。^[1]

2016年12月7日，《高低温环境模拟实验系统》获得第十八届中国优秀奖。^[3]