爆轰波在炸药中的定常传播速度(简称爆速)是表征炸药性能的重要参数之一，该参数一般采用电探针方法和高速摄影方法测量。电探针方法通常利用多个精细加工的短炸药段相接成长炸药柱，在炸药段连接处布置电探针，炸药起爆后，电探针给出爆轰波到达信号，并由示波器记录，线性回归爆轰波传播距离和时间即得到该炸药的拟定态爆速。利用高速扫描相机，记录爆轰波沿炸药传播方向的发光轨迹，画出爆轰波传播距离-时间曲线，进行线性回归得到爆速^[1]。

电探针方法简单、精度高，是爆速主要测量方法，但这种方法需要在炸药段之间嵌入电探针，对爆轰波流场有干扰，影响爆轰波的定常传播。目前研究认为：对于敏感炸药，由于炸药反应区短，爆轰波传播的非理想行为很小，嵌入的电探针对流场的影响可忽略不计；对于以TATB为基的钝感炸药，由于反应区宽，爆轰波传播的非理想行为明显，嵌入的电探针对流场的影响难以忽略。因此，近年来国内外对钝感炸药拟定态爆速的测量均不再采用嵌入电探针的方法，而采用外置式电探针。外置式电探针在测量炸药爆速时，通常在8~10 mm的距离范围内布置一个电探针，采用对称布置的方式，一次试验可以得到数十个电测信号，采用线形回归方法处理的数据也更精确，降低了爆速测量不确定度，达到精密试验的要求。国内外均采用外置式电探针测量钝感炸药的爆速，为钝感炸药非理想爆轰波传播及爆轰冲击波动力学(Detonation Shock Dynamics，DSD)建模提供了重要的试验数据^[2-4]。

中国工程物理研究院流体物理研究所采用类似的测量技术研究了钝感炸药的直径效应，获得拟定态爆速随直径的变化关系，加上高速摄影得到的拟定态爆轰波形，确定了钝感炸药曲率效应参数，加深了对钝感炸药爆轰波传播的非理想行为的认识^[5-6]。该实验所用的电探针是球头形的，不易精确测量各电探针间的距离，线性回归时发现爆速的标准误差稍大。为提高测试精度，本试验设计了尖形探针，通过精细的装配确保探针定位和绝缘，采用显微工具确保电探针间距的高精度测量，将拟定态爆速测量的相对不确定度降低到0.25%，为拟定态爆速的测量提供一种简单、精确的电子学测试技术。

高精度电探针测量爆速的实验装置主要由钝感炸药、传爆药、Φ100 mm平面波透镜、惰性介质、夹板、侧板等组成，如图 1所示。炸药为片状TATB基钝感炸药，尺寸分为两种：100 mm×80 mm×8 mm和100 mm×80 mm×10 mm。传爆药为RDX和TNT按一定比例制备的，尺寸分别为：100 mm×10 mm×8 mm和100 mm×10 mm×10 mm，传爆药爆压与钝感炸药爆压相近，以避免钝感炸药起爆不足或者形成超压爆轰状态。夹板2块，由6个螺栓连接(拧紧力矩为2.2 Nm)，材料为45钢，厚度为20 mm，确保在夹紧过程中不变形，使惰性介质与钝感炸药之间紧贴，受力均匀。侧板为45钢，以减少爆轰波侧向稀疏。惰性介质厚4 mm，材料分三种：有机玻璃、2A12铝合金和1Cr18Ni9不锈钢。

图 1(Fig. 1)

图 1 实验装置示意图 Fig.1 Detonation confinement Sandwich test

平面波透镜起爆后，在传爆药中形成平面爆轰波，起爆传爆药后，再起爆钝感炸药。钝感炸药的前端用于爆轰波的演化，演化段长度不低于厚度的5倍，以保证在测速段之前形成拟定态爆轰波。采用24路电探针测量爆速，两边各对称布置12个，电探针头部设计成尖形(图 2)，以保证探针间距的精确测量。

图 2(Fig. 2)

图 2 电探针结构示意图 Fig.2 Sketch map of electronic pins

用于爆轰波速度测量的电探针主要是同轴电探针和光杆探针，同轴电探针制作相对复杂，它的主要原理是利用炸药的爆轰产物导电的特性，将原来处于绝缘状态的两端导通，示波器记录导通信号，即为爆轰波到达时刻的时间信号，如图 2a所示。同轴式电探针用于炸药的精确爆速测量存在一定的缺点，主要是因为电探针的敏感段为一个空气间隙，难以精确测量相邻两个电探针之间的距离。尖形电探针的结构如图 2b所示，其基本原理与光杆电探针相同，具有简单的结构和较快的响应时间^[1]。尖形电探针的敏感段为一个尖点，避免了因为空气间隙带来的电探针响应时间问题。其尖形结构的设计，便于精确测量相邻电探针之间的距离。

在图 1所示的实验装置中，电探针安装时，首先需要穿透金属夹板，为了避免电探针侧壁与金属夹板之间相互接触，使其提前导通，我们设计的尖形电探针在侧面采用了有机玻璃套的方法，确保电探针不与金属夹板接触。制作好待安装的电探针如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 探针照片 Fig.3 Photograph of electrical pins

本试验装置主要用于研究钝感炸药的爆轰波非理想传播以及爆轰波在有一定约束条件下的非理想传播特性，因此为了不影响爆轰波与惰性介质之间的相互作用过程，我们未在惰性介质上进行开孔，而将电探针安装在惰性介质表面。对于金属惰性介质，由于其本身具有导通性，因此需要在电探针和惰性介质之间垫上厚度为20 μm的绝缘膜。当冲击波到达惰性介质表面时，惰性介质膨胀向外运动，电探针刺破绝缘膜，使探针与被测物体之间导通产生电信号，即为爆轰波到达时间。当惰性介质为绝缘体(PMMA)时，在PMMA侧面镀金属膜，使之成为导体，电探针的安装方法与惰性金属相同。采用24路电探针测量钝感炸药爆速，两边各对称布置12个。将电探针安装在夹板上以后，采用力矩扳手对约束螺栓进行紧固，初步的研究结果表明：在本实验状态条件下，力矩扳手的力矩在2.2 Nm时，可以确保炸药和约束介质紧密接触且不会造成电探针刺破绝缘膜，且试验装置的受力约束更均匀，安装在夹板上的电探针之间的距离采用精度为0.02 mm的光学显微镜进行测量。

共进行了6发实验，线性回归试验得到的探针距离x和时间t数据，得到拟定态爆速，测量结果见表 1，表中拟定态爆速是两组探针测量结果的平均值，典型的探针x-t数据及其拟合曲线见表 2和图 4。从表 1中可看出，爆速测量不确定度不超过19 m·s^-1，相对不确定度不超过0.25%^[7]。美国LANL设计的精密“三明治”装置对片状PBX-9502炸药拟定态爆速的测量结果为(7.525±0.013) km·s^-1[4]，本方法的测量精度与美国LANL的相当。

表 1(Tab. 1)

表 1 拟定态爆速测量结果 Tab. 1 Experimental result of steady detonation velocity No. thickness/mm density/g·cm-3 constraint detonation velocity/km·s-1 uncertainty/% 1 8.00 1.897 PMMA 7.527±0.017 0.23 2 8.00 1.898 2A12 7.536±0.014 0.19 3 8.01 1.905 1Cr18Ni9Ti 7.540±0.012 0.16 4 10.02 1.899 PMMA 7.542±0.019 0.25 5 10.01 1.904 2A12 7.569±0.013 0.17 6 10.00 1.898 1Cr18Ni9Ti 7.552±0.016 0.21

表 1 拟定态爆速测量结果 Tab.1 Experimental result of steady detonation velocity

表 2(Tab. 2)

表 2 实验号1的拟定态爆速测量结果 Tab. 2 Experimental result of steady detonation velocity for No. 1 No. 1 electronic pins No. 2 electronic pins average detonation velocity /km·s-1 distance /mm time /μs detonation velocity /km·s-1 distance /mm time /μs detonation velocity /km·s-1 0.00 19.038 0.00 18.926 8.30 20.118 8.15 20.008 16.60 21.22 16.15 21.057 24.04 22.224 7.5217±0.0226 24.38 22.175 7.5314±0.0233 7.527±0.017 32.34 23.325 31.93 23.174 39.61 24.295 40.07 24.236

表 2 实验号1的拟定态爆速测量结果 Tab.2 Experimental result of steady detonation velocity for No. 1

图 4(Fig. 4)

图 4 实验号1的探针x-t数据及拟合结果 Fig.4 Experimental and fitting result of electrical pins at No. 1

采用本试验设计的尖形探针及测量方法测得片状TATB为基钝感炸药的拟定态爆速度为(7.527±0.017) km·s^-1，测量相对不确定度为0.25%，精度较高，与LANL精密实验结果相当，为精密爆轰物理实验提供了一种新的爆速测量方法。该方法优点是不影响爆轰波的传播，可以精确测量探针间距，缺点是难以解决探针绝缘问题。绝缘膜厚影响测量精度，绝缘膜薄探针易漏电，需仔细装配，装配好后实验过程中也可能产生漏电现象，不能测到有效数据。