太平洋战争制胜神器（2）——随心所欲打飞机的利器——VT引信（喷气式战斗机射击）

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在太平洋战争中，日本鬼子一如既往地穷凶极恶，属于“不见棺材不落泪”的主，尤其在战争初期日寇占据上风，靠着一批精锐飞行员包打天下时，盟军一时半会被打懵逼，不知要多久才能搞定这只张牙舞爪的牲口，于是在实验室中，一场看不见硝烟的战斗也在紧张进行中，并将在这场战争中发挥至关重要的作用，这就是制胜神器系列希望分享的故事。

图1. 盟军战略轰炸是能釜底抽薪，可惜就是太慢了

自从日军偷袭珍珠港、远程空袭菲律宾美军机场和以陆攻消灭英国远东舰队三大战斗后，美国人充分领教到这群“空中飞贼”的厉害，同时也意识到发生在广袤无际的太平洋上的这场战争将是一场比拼谁能够更快更好“打飞机”的竞赛。美国人想了很多方法，比如通过战略轰炸把日本人的飞机消灭在工厂里、比如轰击机场把飞机消灭在地面上，但最直接的方式还是在空中直接击坠，那么除了造出更多更好的自己的飞机以外，就得靠千方百计提高防空炮的作战效率了。

图2. 一战中的飞机又慢又低，的确有不少用步枪直接射击的战例

一战时，飞机首次大规模出现在战场上，各国只能将一些初速较高的火炮改为防空炮充数。最初的防空炮弹只安装碰炸引信，提高命中率的唯一方式就是增加炮火的密度和射速（现代的高速近防炮也是同样的道理），随着飞机性能的快速发展，飞行高度和速度都在迅速增加，防空炮需要对付的目标距离也越来越远，命中率随之低下。况且为了避免自身受到伤害，最好能在远距离就*伤敌机，因此大口径远程防空炮也被陆续开发出来，但怎样才能让炮弹在最接近敌机的时机爆炸，科学家们动了脑子。

图3. 二战舰艇上的大量小口径防空炮仍靠提高火力密度来*伤敌机

防空炮弹出膛后，需要经过一段时间的飞行才能到达敌机的高度和位置，显然防空炮弹需要带有延时引信。最初的一种定时引信是通过燃烧药盘来计时（类似蚊香的燃烧方式），可提前设定燃烧时间来设定起爆时间，

图4. 一种通过火药盘燃烧计时的定时爆炸引信

但在炮弹出膛后，由于高空中空气密度和温度的变化，药盘燃烧的时间存在变数，效果不佳，爆炸时机的误差很大。很快又出现了通过表盘设定计时的引信（类似机械计时表的原理），这种引信在西欧精良的制表技术的支撑下，成为各国大口径防空炮的标配引信。

图5. 一种通过表盘设定计时的定时引信

比如德国Flak 40型128毫米高射炮弹，可在1.5~29.5秒之间设定时间。炮手将弹头插入引信测合机便可以自动设定，提高了速度和准确性。大名鼎鼎的88炮的本质工作也是一种防空炮，大量使用定时引信。

图6. 一名德国炮手正在给炮弹设定引信定时时间

当发现轰炸机群来袭时，首先需要用大型光学瞄准镜搜寻目标，测定斜距、方向、速度和高度，射击指挥仪计算诸元，通过电缆或口令传到炮阵地。高射炮装定诸元，设定引信，对着敌机航路上的某一点齐射。这个点需要包含提前量，炮弹飞到时正好与敌机相遇，然后产生漫天弹幕，等着飞机撞上火网。

图7. 遭遇到漫天高射炮火拦截的盟军重轰炸机群

为了提高防空效率，一个简单的办法就是通过增加炮管和射速来争取多“蒙”中几炮，另外一种思路是增大炮弹爆炸的准确度，比如说让炮弹在最接近目标时自动爆炸？这个问题最早引起了德国人的注意，而这种能感应到目标并进而爆炸的引信，一般称为近炸引信。

图8. 德军著名的88炮主业其实是打飞机，注意旁边使用测距仪的士兵

顺便说一句，德国在基础科学领域上的雄厚基础和科研能力让美国人一参战就非常忌惮，顶着国内报复日本的巨大压力也要调集资源优先击败德国，事实证明了这一战略无比英明，如果战争再拖上一年半载，德国人的神器包括无线制导导弹、喷气式战斗机、中远程巡航导弹和21型潜艇都会大量出现，战争的天平又可能出现不确定性的倾斜，更别说核武器这种能够扭转乾坤的大*器了。

图9. 德国喷气式飞机虽然出现得晚了点，但充分说明了德国人强大的科技实力

日本人当时的科技实力就差远了，虽然在诸如雷达研制上还算有点基础，但是基础科学底子薄（接受近代科技事件太短所致）、人才少（大量人才被军队吸纳并终身服役）、资源缺、动力弱（“奇技淫巧”说并非只在中国流行），在二战主要参战列强中，日本的实力和后发力无疑是最弱的。当然还是要比蒋光头领导下的分裂的中国要强得多，在坚持抗战四年最终把鬼子拖下水之后，中国战场的战略意义就仅剩下牵制日本陆军的一部分了。关于抗战沦陷区，详见同名公号搜索“沦陷区”。

图10. 抗战历年沦陷区略图，中国抗战贵在坚持不懈

根据触发物理条件不同，近炸引信可分为声、光、磁、静电等多种类别，但是最为成功的还是无线电波为媒质的近炸引信。关于无线电波这种看不见摸不着的科技，在前文“制胜神器（1）——千里电眼”里已有介绍，详细可到同名公号搜索“制胜神器”。

图11. 一套完整的SC-270型雷达系统，珍珠港部署的也是同类装备

早在1940年，雷达装备先驱国——英国就发展出与雷达原理类似的光学近炸引信Pistol-710，1941年底美国参战后，英美军事技术共享，美国人接手搞出了主动式无线电诱爆引信，当时称为“可变时（VT）引信”（Variable Time Fuse）。

VT引信这名字其实是相对于定时引信来起的，实质上就是近炸引信（Proximity Fuse），之所以取名VT引信是为了掩饰这项技术的本质，不过保密工作做的实在太好，连自己人都骗过了，现在通常就用“VT引信”这个有点名不符实的名字来指代了。

图12. 日本人的“甲型靶船”实际上是一种袖珍潜艇

类似这种换个名字来指代特种兵器的情况多了去了，典型的如日本人搞出来的袖珍潜艇“甲标的”，字面上的意思只是指代“甲型靶舰”（关于此秘密武器，详到同名公号搜索“甲标的”），实际上却是一款可携带两条鱼雷的水下*手，是专门为了日本海军的“九段邀击”计划而准备的决战兵器之一，可见军队里的取名思路跟平民就是不一样，怎么低调怎么来。

图13. 日本投降时仍在工厂建造中的“甲标的”“海龙”特攻潜艇

VT引信工作的基本原理是通过引信内藏的真空管无线电波发射器向外放出180至220兆赫兹的无线电波，当弹体接近目标物时，部分无线电波将被反射并接收到，由于多普勒效应的存在，反射波和发射波之间将产生200-800赫兹的低频讯号，距离目标越近讯号越强！

图14. 奥地利科学家多普勒提出的“多普勒效应”最终成为科学*人的力量

关于多普勒效应（Doppler effect）有必要再科普几句，这个效应是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年率先提出的，当时欧洲人对波的研究正在热潮之中，多普勒提出：运动中的波源将会导致观测者接收到的波长及频率发生变化，当波源朝向观测者运动时，波会被压缩，波长会变短，频率会变高；如果波源正在远离观测者，波长会变长，频率会降低，形似波被“拉长了”。

图15. 火车汽笛发出的声波感受可以形象地说明“多普勒效应”的效果

一个最容易理解的物理现象就是当一列拉着汽笛的火车正在进站时，鸣笛的声波将因为多普勒效应而被压缩，频率会变高，因此听起来比静止时更加“尖利刺耳”，而当拉着汽笛的火车或轮船正在离港时，汽笛声会变得缓慢而低沉。

图16. 汽车的探测雷达也是应用了多普勒效应的原理

因为“多普勒效应”而造成发射端和接收端对波的频率的感知差异就被称为“多普勒频移”，更加值得注意的是，频移的程度跟波源的移动速度紧密相关，可以反向推导出两者之间的速度。简单来说，移动速度越快，频移程度越大，反之亦然。

图17. 一种基于多普勒频移效应的无线感应门磁

今天的日常生活中我们仍经常会遇到类似的设备，比如通过微波感应人体物体的自动门感应器就是利用了这个原理。电磁波同样存在多普勒效应，在高速运动的物体上（例如高铁）进行无线通信会出现信号质量下降等现象，就是电磁波存在多普勒频移现象的实例。但是军事用途的VT引信需要经受火炮射击时超过20,000倍地球重力的加速，及每秒500转的自转，同时还必须小得可以安放在炮弹的弹头之内，这个开发难度就比自动感应器大多了。

图18. 还有一项令人深恶痛绝的多普勒效应产品——雷达测速仪

最终，由约翰·霍普金斯大学的墨勒·图瓦博士带领的团队实现的设计是这样的：在VT引信内置一个装有电解液的小玻璃瓶，当炮弹发射时，冲击力将该玻璃瓶震碎释放出电解液。由于炮管膛线的作用，炮弹开始高速旋转，电解液被离心力甩向周围的电极板上产生电流，该电流马上给一个电容A充电，同时电流启动一个无线电真空管，真空管作用发射出无线电电波。

图19. 看似不起眼的电子管实际上是VT引信的最大秘密

一个振荡器负责接收目标物体反射的电波，接收电波和发射电波之间会因为多普勒效应而产生一个“波纹”电子脉冲。这个脉冲经过一个无线电真空管放大，当炮弹飞到离目标21米以内时，脉冲足够大到启动一个电子闸流管，储存在之前所述的电容A的电流瞬间被释放，引爆一个电子雷管，然后又连带引爆主雷管。

图20. 一种无线点近炸引信的结构示意图

简单来说，VT引信里面就是一堆这样那样的小管子，通过相互之间精巧的作用产生电流和无线电波，并最终引爆主雷管。实际上由于发射时产生的巨大过载以及炮弹飞行途中各种未知的无线电波干扰，VT引信的起爆率一直是个问题。美军测试过1942年生产的T3型VT引信只有52%的可靠性，但即便只有一半能按预期爆炸，所带来的防空效率的提升也是革命性的，美国人迫不及待地开始射击靶机的实验。

图21. 装备有VT引信的5英寸MK 16炮弹

1942年8月，就在瓜岛战役展开的同时，一艘新锐的轻巡洋舰克利夫兰号（CL-55）使用装有VT引信的防空炮，在东海岸的海军主要基地切萨皮克湾进行了靶机射击实验，实验大获成功，所有靶机均被击落。

图22. 被装有近炸引信的炮弹在近距离爆炸毁伤的飞机

数月后，VT引信有了首次的参战记录。一艘布鲁克林级轻巡洋舰“海伦娜”号（CL-50）曾在珍珠港被来自苍龙号上的一架原计划攻击航母的鱼雷机盯上，对其发射了一条91式航空鱼雷，该雷穿过停靠在“海伦娜”号外侧的布雷舰“奥格拉拉”号命中了本舰右舷舰体中部装甲带下方第75号肋骨，距离水线约18英尺处，造成一个轮机舱和一个锅炉房大量进水。幸好损管得力，所有水密舱都被及时关闭，避免了该舰的沉没。

图23. 最后一艘布鲁克林级轻巡“海伦娜”号，装有SG雷达并取得首次VT引信战果

也许是因祸得福，“海伦娜”号反而有机会优先进入造船厂接受修理，并顺便加装了新式的SG型水面和防空搜索雷达，这件装备反而为其随后的优异表现创造了条件。1943年1月5日，正在南太平洋巡航的“海伦娜”号以配有VT引信的5英寸防空炮，成功击落一架日机，成为首个VT引信的确定战果。

图24. 美舰大量装备的5英寸高平两用舰炮，VT引信的大客户

此后，美军舰艇大量装备这一大*器，美舰的防空炮火逐渐成为日本航空兵的噩梦。在战争末期中远程距离上对抗“神风”也是依靠这种炮弹，此时的美军已经在防空上研究出一套完整而科学的方案，雷达发现日机群后，首先引导战斗机进行远程拦截，当日机进入10公里以内后，由5英寸防空炮发射带VT引信的炮弹拦截，当目标进入最后俯冲阶段时，再以大量的40毫米“博福斯”和20毫米“厄立孔”速射高射炮进行火力覆盖。能熬过这种立体化多层次防空打击的日机已经屈指可数了。

图25. 正在突击美舰的“巴嘎”弹

按照美军战后的统计，太平洋战场中一共发射带有VT引信的5英寸（127毫米）炮弹11万发，击落约300架，发射40毫米炮弹127万发，击落748架，发射20毫米炮弹326万发，击落618架。三种主要口径的防空炮击落一架日机平均所需的弹药分别是366发、1698发和5275发。这其中带有VT引信的5英寸炮弹的击落效率比之前足足提升了四倍。

图26. 德国V-1导弹，堪称巡航导弹的鼻祖，可惜飞行速度太慢

VT引信的良好效果使得美军自然也将其应用到了陆军高炮部队，不过美军规定只准在海上和英国境内的防空火炮使用，以免未爆炸的引信随炮弹一起落到敌人手中而泄露秘密。到欧战后期，德国人虽无力再象不列颠空战一样出动大量的轰炸机，但是发明了早期巡航导弹V-1火箭来空袭英国，英国防空火炮配备了火控雷达和VT引信后，击落一枚V-1火箭平均只需要150发炮弹，如果使用普通的炮弹需要约2800发，可以说是效率惊人了。

图27. 被德军围困在巴斯托捏的美国101空降师，美剧《兄弟连》里也有表现

据说这种引信唯一一次在欧洲大陆使用是在比利时的巴斯托捏，当美军101空降师被德军包围并有被全歼危险时，美军在1944年12月8日使用带有VT信管（陆军称其为“POZIT”）的榴霰弹轰击德军步兵，造成德军的惨重伤亡，事后统计说炮火威力增加了7倍。当然由于战争后期德国空军基本上已经转入本土防空，没能力调集大量轰炸机空袭盟军，因此VT引信的主要“客户”还是日本人。

图28. 德国人最著名的防空利器还是巨型防空堡垒，盟军飞机都是绕道走

欧洲科技的扛把子德国也没有错过对近炸引信的研究，他们考虑的媒介是静电，最初的实验型作用效果只有1-2米，但是可靠性达到了80%，在项目最终被德国军方取消时，德国的静电型近炸引信作用距离已经达到了10-15米，接近美军VT引信的效果，而且体积小不易受干扰。但是，项目被取消了，德国战败了。

图29. 日本人的神风一度逼得美国人要放大招，用天皇照片来抵挡了

美国海军部长弗雷斯特曾称赞无线电近炸引信的使用令美国在太平洋战场上得以大量减少人员及装备的伤亡，二战期间，美国一共生产了大约2200万个VT引信，总价值约10.1亿美元。军方有评价说“在摧毁敌机的效果上，近炸引信是定时引信的三倍”。

图30. 马里亚纳海战中被大量防空炮火覆盖的日本机群

日本人在防空上也有自己的独门兵器——“三式弹”（可能是按照定型时间皇纪2603年来命名，类似“零战”，详见同名公号搜索“零战”）。这是一种燃烧榴弹（燃烧弹和高爆弹的结合），弹体内带许多可燃烧的小型弹包。三式弹又细分为对地射击的三式烧霰弹（普通弹）及三式对空弹。

图31. 三式弹发射后的在空中自曝并释放出大量的小型烧夷弹

三式烧霰弹发射出去后会在空中爆炸成数百个小型烧夷弹，可用来轰炸机场、轻型舰艇和一些陆上设施，引起严重火灾。三式烧霰弹曾在炮击瓜岛机场时使用过，战列舰“金刚”、“榛名”两舰一共发射了104枚三式烧夷弹、189枚零式弹和625发一式弹，严重破坏了瓜岛亨德森机场，被第17军军长百武晴吉中将肉麻地吹嘘为“两门战列舰的大炮胜过野炮千门”（“野炮1000门に匹敌す！”）。

图32. 1942年日军对三式弹防空射击时产生锥形*伤区的测量数据

三式对空弹衍生自三式通常弹，采用延时引信，爆炸后其内部的小型破片弹和小型烧夷弹会在空中炸开，形成一大团锥形的*伤覆盖区，小型烧夷弹的材料具有黏性，一旦飞散到战机的身上可使金属蒙皮变形或融化，对自封式油箱的橡胶也有破坏能力。

图33. 日本电影《男人的大和》有个镜头反应“大和”号发射三式对空弹的场景

由于三式弹就是偏向大型化的子母弹结构，所以通常装备在重巡洋舰的203毫米（8英寸）口径以上的主炮（也有数据说日军制造了5英寸即127毫米口径的三式弹），金刚级的356毫米、长门级的410毫米和大和级的460毫米主炮均有装备。以大和的18英寸主炮为例，其装备的三式弹长1.6米，重1.36吨，弹中有996～1200个子弹药。