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794 防空利器——无线电近炸引信(上)

发布时间:2022-09-20 17:00:02 来源:华体会hth体育平台 作者:华体会体育在线登录入口

  全文共5314字,配图4幅,阅读需要14分钟, 2022年4月5日首发。

  【注】本文编译自2020年9月刊的《军事历史》(Military History)杂志上的一篇文章,原作者是迈克尔·罗宾斯(Michael W. Robbins)。罗宾斯曾担任过《军事历史》和《军事历史季刊》杂志的编辑。

  “近炸引信是二战期间同盟国保守得最好的秘密——一个价值数十亿美元的秘密。”

  1943年1月5日清晨,四架日本爱知公司生产的九九式舰载俯冲轰炸机(D3A)突然袭击了美国海军的一支特混舰队,当时美军的这支特混舰队正在瓜达尔卡纳尔岛外海开展行动。尽管飞行速度较慢且已经老旧过时,但日军的九九式俯冲轰炸机(盟军给其取的绰号是“瓦尔”)仍然是一大威胁,因为其投弹精度较高而且航程较远。在日军的这支飞行编队遭到美军射击并停止攻击之前,其中一架“瓦尔”已经投弹命中了隶属于该特混舰队的皇家新西兰海军的“阿基里斯”号轻巡洋舰。对此,美国海军“海伦娜”号轻巡洋舰上的防空炮手们几乎是不假思索地就朝着离去的“瓦尔”射出了一片猛烈的弹幕。“海伦娜”号轻巡洋舰上的防空火力包括十余门5英寸(127毫米)口径的火炮,外加多门射程较近的20毫米口径和40毫米口径高射机关炮。两轮5英寸口径火炮的齐射敲掉了一架“瓦尔”,却不是通过直接命中而击落的。相反,在“海伦娜”号轻巡洋舰射出的炮弹中,至少有一枚是从距离日军俯冲轰炸机足够近的距离上飞过去的,近到其能够爆炸并产生足以给飞机造成致命毁伤的破片。

  尽管这一事件在当时并未引起公开的关注,但这次交战标志着历史上火炮和防空作战的一大变革时刻:敌机首次可以被无精确瞄准射击的炮弹近炸而击落。

  在战斗中,“海伦娜”号轻巡洋舰的5英寸火炮首次射出了一种革命性的炮弹,这种炮弹安装有一种近炸引信,或者说,这种炮弹安装了一种名字带有欺骗性的引信——变时(variable time,VT)引信。“海伦娜”号上的炮手们取得的这次战斗胜利是一项为期数年的研究的成果,这项研究由技术、工业和军事方面的人员共同参与,并有美国全国范围内的众多研究人员和一百多家工厂投身其中。到战争结束时,美国的劳动大军已经组装和生产了不下2200万枚这种新型引信,每枚引信包含约130个微电子元件(就当时的技术水平而言);以20世纪40年代的美元币值计算,其花费超过了10亿美元(按照2020年的币值计算大约为150亿美元)。

  无论是用在防空射击的高射炮弹上,还是用在地面战斗的野战火炮上,这种新型引信的战斗效能都是直接和毁灭性的,并极大地打击了敌人的士气。在战争期间,这一项目始终是被严格保守的机密,因此遭受这类火力打击的日军和德军始终未能意识到为何盟军的炮火突然变得如此残酷、精准和致命。

  第一次世界大战已经证明了这样一个经验教训,即空中战争的威力和有效性。考虑到航空技术的飞速发展,近炸引信的理念是很吸引人的,而且很多人错误地认为研制这样一种引信是轻而易举的。早在20世纪30年代初,德国人就开始着手为火炮和炸弹研制这样一种引信,他们的这种努力一直持续到了第二次世界大战期间,但最终德国人的结论是,这一理念是行不通的,近炸引信永远不可能实用化。日本人也投入精力研发过这类引信,而且实际上他们研制出了一种可以工作的近炸引信,不过,他们将这种引信应用到战争中的时间太晚了,以至于未能发挥出决定性的作用,而且日本人对这种引信也仅仅实战运用了一次——安装在一枚投下的炸弹上。

  20世纪30年代末,英国科学家也开始研制近炸引信,他们充分解决了一系列固有的问题,并对勉强有效的样机进行了测试。英国人的努力最终受阻于成本超支和两方面的挑战:一方面是元器件的微型化,另一方面是大规模批量生产的可行性。当战火烧到英国人家门口之后,他们与美国人分享了自己的研究成果,并开始与美国人当时正在进行的引信研究项目展开合作。

  美国国防研究委员会(U.S. NDRC)成立于1940年夏,该委员会作为沟通美国科学院与美国国防部之间的一条纽带而发挥作用。当时,执掌国防研究委员会大权的是在麻省理工学院上过学的著名电气工程师暨发明家万纳瓦尔·布什(Vannevar Bush),正是此人向富兰克林·罗斯福总统提出了成立国防研究委员会的建议。据说,罗斯福总统几乎是不假思索地就批准了布什的提议。

  为了解决各个军兵种所面临的无数军事问题,国防研究委员会成立了多个特别部门。其中,T部门负责研制一种可用的近炸引信,供大口径火炮使用。幸运的是,在1940年8月,该部门得到了梅尔·图夫(Merle Tuve)的有力指导。梅尔·图夫是华盛顿卡内基研究所的一名物理学家,他学养深厚且富有创新精神。在图夫睿智的领导下,好几位科学家和工程师开始探索该如何设计这样一种设备(近炸引信)并将其投入生产。该研究项目很快就超出了卡内基研究所的能力范围,在这种情况下,一家新的研发机构——在约翰·霍普金斯大学名下成立的应用物理实验室(APL)加入了进来。该项研究的主要军事用户是美国海军,因为美国海军非常担心其舰艇在面对空袭时的脆弱性。在1941年日军对夏威夷群岛珍珠港发动的毁灭性偷袭中,美国海军的这一担心得到了血淋淋的证明。

  很明显,对每位熟悉传统高射炮的缺陷的人来说,研制一种实用的、不需要“计算并设定时间到目标高度爆炸”的,甚至不需要与目标有物理接触的火炮引信是件非常紧迫的任务。当时的高射炮手们承认,要想击落一架体积小、高速运动而且高空飞行的飞机几乎是一件完全凭运气的事。在此期间进行的研究表明,据统计,平均每发射大约1200发高炮炮弹,才可能会有1发炮弹直接命中目标。这确实是一件凭运气的事!

  太平洋战争结束后,曾于1942年至1943年间在所罗门群岛战役中指挥过一支美军驱逐舰编队的阿利·伯克海军上将曾撰文描述过防御日军空袭的困难,特别是在入夜后。“就我们一直在使用的机械设定时间的引信而言,我们用其在夜间仅击落过一架飞机,而且是意外击落的”,伯克上将这样回忆道,“(机械设定时间的引信)在夜间吓跑敌机方面确实表现得很好,但它们能做的也只有这些了。”

  在相关人员研发一种实用的VT引信的努力过程中,T部门的科学家、工程师和军工专家们面临着一长串的挑战,诸如:

  (1)需要创造一种光学、磁场或电子反馈的机制,通过信号引爆一枚以2600英尺/秒(约合800米/秒)的速度运动的炮弹,而且是在其接近一架以300英里/小时(约合134米/秒)的速度运动着的敌机的那一刻引爆。

  (2)在一枚直径5英寸(127毫米)、长20.75英寸(约52.7厘米)的弹体内安装一套类似雷达的无线电装置(有发射机和接收机),而且弹体内已经容纳有7磅(约3.18千克)重的高爆炸药。

  (3)需要将这样一套电子设备最小化,以便安装在1品脱(约合0.473升)牛奶瓶大小的体积内,而且在那个年代还没有晶体管,更没有集成电路。

  (4)需要研发一种电池为这套引信供电,电池的功率要足够大,工作时间要足够长,而且在从零下50度到零上100度的温度范围内都要能发挥作用。

  (5)研发的引信要能够承受住5英寸火炮开火射击时的巨大过载冲击——其加速度相当于20000倍重力加速度,而且炮弹的自转速度高达500转/秒,因此引信要承受巨大的离心作用。

  (8)对工程师们来说,这种引信采用的设计要能够迅速、高质量地大规模生产,最好能够以百万为单位进行生产,其零部件来自为数众多的美国工厂。

  考虑到以上这些需求,难怪前文提到的好多国家都放弃了研制近炸引信的想法,并将其视为一个技术上的梦想——这种引信超出了他们的研究和生产能力。尽管最终的事实证明,解决上述挑战的方法并未超出美国科学家、工程师、发明家、技术员、军工专家和大规模批量生产商的能力范围,他们确实把近炸引信变成了现实。

  梅尔·图夫的研究团队最初是在卡内基·梅隆大学组建的,当时团队的工作地点位于马里兰州银泉市附近新成立的应用物理实验室。他们评估了各种选项,并最终决定开发一种类似雷达的无线电设备。不过,怎样制造出一种足够小的这种设备呢?在当时,并没有诸如固态集成电路一类的东西,无线电设备都是由类似灯泡一样的真空电子管组装的。尽管当时已经在助听器上使用了小型化的真空电子管,但这些民用的小型化真空电子管绝对不适合安装到炮弹上。

  于是,对物理学家詹姆斯·范·艾伦(James van Allen,他后来发现了用他的姓氏命名的地球辐射带)来说,研制军用级别的小型玻璃真空电子管就成了当务之急,这种电子管要求能够承受从火炮中发射出膛时的巨大加速度。这花费了人们将近一年的时间进行研究、试验和野外测试,并动用了一系列大威力火炮和炸药。

  与此同时,应用物理实验室的研究人员们也在对最初由英国科学家发明的发射/接收电路的设计进行优化,美国国家碳材料公司(National Carbon Co.)也在研发一种能够在这种工况下正常工作的电池——美国国家碳材料公司当时是干电池制造领域的一家先锋企业,其后来被拆分成了美国联合碳化物公司和劲量(Energizer)公司等一系列企业。对其他电子元器件和设备的优化工作也在继续,贯穿了1941年的整个夏天和秋天,诸如西凡尼亚(Sylvania)公司、美国无线电公司(RCA)等技术企业都参与了进来。

  在T部门,负责人梅尔·图夫以毫无废话和上进心很强而著称,他在实验室墙壁上张贴的一系列指示明确地表达出了该引信研发项目工作人员的战时紧迫感:

  “在这个实验室里,我不需要哪个该死的傻瓜节省经费,我只要他加快速度以节省时间。”

  “朝着让引爆率达到百分之八十的目标去工作吧,我们不可能提供百分之百完美的产品。”

  “不要试着达到‘A’,在战时‘D’才是必需的而且够用了,但‘F’则会要人命。”

  “我们在道德方面的责任一直贯穿到该引信最终在军队里的战斗使用;引信的失败就是我们的失败,无论是谁,都对失败的原因负有技术上的责任。实现那个最终结果正是我们的工作。”

  最终,在T部门及其合作机构的努力下,通过使用一套小型化的无线电发射机和接收机(带有放大器),这种引信被研制了出来。引信中包含一个晶闸管触发器和一个充满气体的电子管,该电子管在此发挥的作用类似一个电子开关。引信还采用了电池供电的保险机构,以防被意外引爆。一旦炮弹被发射出去,引信中的无线电发射机就开始发射一组连续的无线电信号,电波遇到运动着的目标会被反射回来,整个过程类似雷达的工作原理。接收机接收到反射回来的无线电信号后,倘若炮弹正朝着目标飞去,那么二者之间的距离越近,接收到的电波“密度”也就越大。一旦接收到的信号强度超过某个特定的临界值,就会激发晶闸管触发器,释放预先在一个电容器中存储的电荷。释放出的电荷将触发一个电雷管,电雷管再引爆炮弹内的主装药。在5英寸口径的防空炮弹中,主装药是苦味酸铵,兵工专家们将这种装药称为“爆炸物D”。

  对这种小型电子元器件和干电池组的初期测试之一是在1942年1月29日进行的。这一天,研究人员将这一套设备装进了数发5英寸口径的炮弹,并用一门标准的防空高射炮发射了这些炮弹。在射出的引信中,有52%成功引爆。尽管距离图夫要求的80%的目标还有不小的距离,但这一引爆的成功率已经足够好了,以至于美国海军军械局指示位于俄亥俄州辛辛那提市的克罗斯利(Croslry)公司开始尝试着大规模生产这种引信。为了掩盖这一装备的重要性,美国海军军械局将其模糊地命名为“变时引信”,缩写为“VT引信”。

  在接下来的一个月里,国家碳材料公司研制出了一种改进后的湿电池,这种湿电池的大小和形状类似一支自来水笔。由于这种湿电池是将电解液单独盛放在一个玻璃安瓿瓶中,因此其具备了更好的稳定性,而且寿命也更长。炮弹出膛时的巨大冲击力会震碎玻璃安瓿瓶,释放出电解液,在旋转弹丸离心力的作用下,电解液会流入堆叠的碳板(正极)和锌板(负极)中,从而产生电流,这是一个颇为巧妙的解决方案。图夫手下的研究人员不知疲倦地工作着,以寻找改良这种引信的方法。就标准的5英寸口径防空炮弹而言,为了确保“一击必杀”,这种引信必须在目标距离弹丸70码(约64米)的范围内时引爆,因为70码是这种炮弹的有效爆炸杀伤半径。

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