炸你没商量：无线电近炸引信传奇
第二次世界大战中，日本海军舰载机飞行员在飞临美国海军舰艇实施攻击时，或多或少会发现一个奇怪的现象，那就是美国海军舰载高射炮发射的炮弹，并不像普通高炮炮弹那样，只是在预先设定的高度上爆炸，而总是在接近自己飞机到一定距离内爆炸，给日军飞机造成极大的杀伤。日军并不知道，他们遇见的高炮炮弹是一种美军始终竭力保密的高技术装备，是美国军事工程科技人员创新性工作的成果。这一成果，在很大程度上改变了海空作战胜负的天平倾向。
美国海军战舰上的127毫米舰炮是中远程防空主力
自打飞机登上战争舞台，地面上的士兵们就开始把火炮炮口指向天空。最早的高炮使用的炮弹和地面作战的炮弹一样配装的是碰炸引信，这种引信通过炮弹撞击地面或目标的物理效应启动，来引爆炮弹。碰炸引信用于攻击空中目标有很大的局限性，因为只有炮弹撞击敌机时引信才会动作，但如果要让一枚炮弹直接撞击敌机，在极近的距离上尚有可能，如果距离较远，那么射手们就只能祈祷上苍保佑了。为了提高高炮打击敌机的实际效果，工程技术人员努力研制出高炮定高延时引信，通过调整引信火药柱的长度来控制炮弹爆炸时机，使得炮弹在敌机的飞行高度爆炸，通过天女散花般的弹片去杀伤敌机。如果是拦截冲向舰艇的敌机，那么理想的炮弹爆炸点应该是在敌机航路正前方，这就要求炮手随着敌机不断迫近频繁调整炮弹引信上的延时机构。在没有计算机，只能通过概略估算的时代，这种工作几乎不可能准确完成。即便是小小的设定差错也可能让炮弹变得对敌机完全无害。第二次世界大战爆发前，美国在评估战备状况时，就发现高炮炮弹机械延时引信难以完成快速有效防空拦截，统计显示海军127毫米高炮平均需要消耗2500发炮弹才能打下一架敌机，这一数字对于面临战争的美国海军而言，实在是致命的缺陷。
以消耗大量炮弹构成的拦阻防空战术存在无法避免的漏洞
这一问题得到了美国国防研究委员会（NDRC）的重视，该委员会是博士（Dr. Vannevar Bush）召集和领导的一群顶尖科学家，负责调动全国技术资源来为美军研究先进武器装备。针对舰队防空效果缺陷这一突出问题，NDRC展开了相关研究，提出开发一种能够在目标特定距离下起爆炮弹的引信，这种引信就是所谓的近炸引信，当时研究团队内部称为“可变时间引信”（Variable Time Fuze），简称VT引信。
近炸引信的主意并不新鲜。许多看过高炮射击演示的技术派人士都会为高炮惊人的弹药消耗和同样惊人之低的命中概率而震动，从而认真地考虑近炸引信技术问题。军械专家们并不木讷，他们老早就在考虑为炮弹装备一种“能够因为目标的影响”而启动的引信，这样就能显著提高炮弹对目标的毁伤性能。如果能设法让一枚炮弹在进入目标飞机致命杀伤范围后自动爆炸，那么这样就会极大简化高炮火控系统的复杂性，同时让每一枚炮弹都能物尽其用。早在1940年以前就有人提出过这类技术构想。但是在当时的技术条件下，要研制这样的引信挑战极大，几乎不可能逾越。英国在火箭和炸弹用近炸引信方面起步较早，至少可以追溯到1939年。德国人更早，缴获的档案显示德国早在20世纪30年代初就在这方面做过研究，但直到1945年欧洲战场盟军取得彻底胜利，德国人的研究仍然“在路上”。英国和德国的挫折，都是在从技术原理到工程应用的转化阶段。而现在，这项艰巨的创新工作落在了美国人头上。
为炮弹研制新型引信成为美国科研当务之急
NDRC的科学家们提出的技术原理并没有超出既有框架，提出开发一种能够感知目标存在的装置，把它装进127毫米舰炮的炮弹引信，这样就在炮弹和目标之间建立起一种“亲密互动”。这种引信会让炮弹进入目标有效杀伤距离内才起爆，就能对敌机造成最大程度的杀伤效果。理论很美妙，现实很残暴。一旦到了工程应用层面，这一理论就会遭遇重大挑战：这种类似小型雷达的感应装置需要承受炮弹每秒475转的高速自旋，还要能忍受炮弹发射时高达20 000g的强大加速。而且，这种雷达装置还必须足够小型化，其外形尺寸决不能超过冰淇淋大小。此外，这种新技术必须能够转化为兼具可靠性和简单性的工程产品。可靠性可以保证炮弹在恶劣的战场环境下发挥作战效能，而简单性则能让炮弹保持小巧，同时能够快速大量生产。
工程技术人员尝试过多种研发方向，其中包括静电感应、声学感应、光学感应和无线电感应等多种方式。经过一番考察，美军选择了光电感应和无线电感应两个主要方向展开工程研究。光电感应方式看似简单，但它需要依赖可见光才能让炮弹“看到”目标，白天还好说，夜间就不灵了。无线电感应方式虽然更为复杂，但是却能在白天黑夜都发挥作用。在两个技术方向并行研究了一个阶段后，美军发现无线电感应技术具备工程应用潜力，可以满足既定需求。有鉴于此，光电近炸引信在1943年10月终止研制，研究力量集中在无线电近炸引信方向。
应用物理实验室（APL）为这种新型引信的诞生立下了汗马功劳，这便是无线电近炸引信
1941年12月7日美国太平洋舰队珍珠港基地惨重偷袭时，NDRC已在华盛顿卡内基学院（Carnegie Institute of Washington）秘密展开了近炸引信的研究。美国开始艰难地转入战争模式时，近炸引信研究小组给出了一个技术评估结论。他们认为，这种新概念引信可以研制出来，而且能够正常工作。但如果要短时间内在工程应用层面实现近炸引信的产品化，研究团队认为仅依靠现有力量完全不足，需要更多的科学家、工程师和技术人员加入。美国政府必须设法组建一个包含科学人才、研究机构、工程团队和生产组织在内的机构。也就在这个时候，布什博士找到了约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University），询问对方是否可能建立一个实验室，专门从事近炸引信的研究开发。他得到了肯定的答复。于是在1942年4月，在华盛顿郊外马里兰州银泉一个改造的简陋车库里，约翰·霍普金斯大学成立了一所后来蜚声世界的实验室——应用物理实验室（APL）。
在各种无线电近炸引信方案中，美国最终选择了依靠多普勒效应工作的主动式引信，因为它的使用效果最为理想。多普勒引信在工作时会向外发射无线电波，电波碰到与引信存在相对运动的目标反射回来，成为一种启动信号。引信接收到的回波会因为多普勒效应发生频率变化，这种频率对发射器构成干涉，结果是产生一个低频干涉信号，这个信号经过放大器放大，再被导入闸流管。一旦信号达到足够启动闸流管的振幅，闸流管就会接通起爆电路，引爆起爆器，进而引爆整个炮弹。对于引信和目标，目标信号在振荡检测电路里产生的振幅与引信和目标之间的距离密切关联。换言之，如果预先恰当地设定好放大器的增益和闸流管的偏压，那么就能控制引信的工作距离。引信的工作距离并不是唯一需要考虑的因素。引信与目标的相对方位也非常重要，这一点对于打击飞机类空中目标尤为重要——引信必须要能确保炮弹在弹道上最为正确的点上起爆，把最多的爆炸破片抛向目标。
多普勒工作方式的无线电近炸引信剖视结构
对于大多数炮弹和导弹，爆炸时产生的大多数破片都沿纵轴90度角度飞散。对于那些飞行弹道经过目标但是不与目标轨迹交会的炮弹，在目标位于破片散布最密集的方向上起爆会造成最佳杀伤效果。但对于那些与目标轨迹交会的炮弹，就需要炮弹在距离目标尽可能近的位置起爆。这就对高炮用近炸引信提出了方向敏感性要求。具体来说，首先，引信在最大横向破片飞散密度方向上应该具有最佳敏感性；其次，引信在轴向方向上的敏感性应该最小。要实现这样的敏感性指标，需要把炮弹变成一个天线，炮弹的纵轴相当于天线的纵轴。引信一般装在炮弹头部，这样天线会被引信风帽这类小电极激活，通过放大器增益参数设置，也能调整引信的敏感特征。
综合指挥系统与无线电近炸引信联动，将让战舰防空得到质的飞跃。
如果是对付地面目标，引信需要被设计成能在最佳高度起爆，通常是在3－20米之间。此时最为理想的情况是，让炮弹在轴线方向具备最佳敏感性。为此研制人员专门在炸弹头部横向安装了一部短小的偶极天线。经过实验，研究人员发现其实不用这么周折，如果在原来轴向天线引信基础上改进放大器，让它能够补偿前向敏感性的衰减，同样能收到不错的效果。例如，高俯角下落的炸弹意味着更高的接近速度和更高的多普勒频率，此时可以通过提升放大器的增益来弥补高俯角状态下信号敏感性的衰减。
紧张有序的工作在严格保密下全速展开，研制团队克服了一个有一个技术障碍。这间“车库”成了整个研究工作的中枢，这里完成的研究结论被送往企业承包人、政府机构和全美的其他高校。拉着近炸引信原型产品的卡车从实验室驶出，奔赴海军设在弗吉尼亚Dahlgren的试验场。近炸引信的研究范围很广，涵盖火箭、炸弹和炮弹所需的各种类型近炸引信，但海军主要的兴趣点还在炮弹所需的近炸引信，特别是海军舰艇使用的5英寸（127毫米）口径38倍径舰炮，这是海军主力防空武器。除了美国海军，美国陆军和英军也都对炮弹用近炸引信念念不忘。美国陆军也加入了无线电引信项目，英国也采取与美国团队联合的方式开展研究。
这个小东西成为美国海军防空利器，日本人当时甚至不知道这种秘密的存在。
开发炮弹与目标距离的检测电路的问题并不复杂，如果电路可以紧凑到足以塞进炮弹，且坚固到能耐受发射冲击，那么近炸引信的问题就有望解决。但不久研究人员就发现研制一种足够结实的真空管可能是最难解决的工程问题。1940年后期，研究人员用商用真空管装在砖块上，从高处下落到水泥地或钢板上，来测试其坚固性。他们发现真空管其实远比预想的结实，原本以为不可逾越的问题并不那么可怕。
炮弹引信需要很小的真空管，研究人员从市场上找来助听器用真空管进行试验，其中包括雷神公司和海顿公司（Hyton）的助听器真空管。为防止真空管玻璃碎裂，技术人员专门对真空管进行了封装处理。他们还改进了电极结构和安装方式，提高了零件的机械强度。最好的强度测试当然是使用火炮实际发射。1941年初，技术人员把真空管部件装在127毫米舰炮炮弹上进行发射试验，然后采用降落伞回收。此外技术人员还用高压空气炮对真空管进行测试。与此同时，电路设计工作也在实验室里进行。震荡器也被装上炮弹进行发射试验，确保它们能在炮弹飞行中正常工作。测试中除了使用127毫米舰炮，还使用了37毫米高炮。技术人员使用无线电接收机来检测飞行中震荡器发出的信号。为了给舰炮用近炸引信的电路提供电力，技术人员必须克服的另一大挑战是电池。国家碳材料公司（NCC）为炸弹引信开发的特种电池被用在了近炸引信上。1941年4月底，终于有一枚从37毫米炮射出的震荡器在飞行中成功发出了信号。
测试中的无线电近炸引信航空炸弹
1941年6月，电路设计工作又有了进展，技术团队制造出了足够敏感且足够紧凑，可以装入引信的元器件。整个电路部分包括一个震荡器、一个两级音频放大器、一个闸流管和一个电起爆器。技术团队为引信开发了一个反置开关，在发射前确保引信电路处于关闭状态，直到发射前一瞬间才开启。电路中还设计了一个启动延时机构，在炮弹出膛，真空管灯丝实现预热后以及整个电路信号“安静”后才会启动引信。此后振荡器开始向外发射无线电信号，部分信号会被炮弹引信附近的物体反射回来，反作用于振荡电路，产生一个干涉频率，经过放大器放大后，用于触发闸流管。闸流管内置的电起爆器会根据闸流管输出信号起爆，进而引爆炮弹装药。至此，美军无线电近炸引信的工程架构业已完成。接下来，美军在马里兰州试验场用57毫米火炮进行了炮弹发射/回收试验。测试引信被装上炮弹，通过火炮发射，通过对回收的炮弹进行检查，来判断零部件的坚固性。有些炮弹内部装上了发烟剂，用以显示引信和起爆器的工作状态。
汇报演示中的无线电近炸引信炸弹和炮弹
1941年9月，技术团队制造出了能够在整个弹道飞行过程中正常工作的完整无线电近炸引信，测试发现引信的主要问题集中在过早起爆方面，原因则是机械结构损坏、真空管和电路的尾声干扰，以及电池的电压波动等。经过改进，电路重新布局，放大器也重新设计，以便能消除干扰噪声。电池结构也得到改善，接触更加稳固，以便减少欺骗性电压变化。紧接着，全套引信机构在海军武器试验场进行了测试。初期测试中127毫米舰炮引信表现不够理想，主要问题还是早期起爆。考察原因，人们发现当时震荡器使用的双灯丝三极管两根灯丝之间的beats在放大器的音频通路波段引发了微噪声，导致引信过早起爆。为解决此问题，双灯丝震荡器被换成了单灯丝型。
早期的无线电近炸引信设计，带有T型天线
1941年末，西尔瓦尼亚公司（Sylvania Company）加入了真空管设计工作，研制出改进型真空管。这一时期研究人员花费大量精力改善微型真空管玻璃的质量及其封装方式，以克服玻璃破裂问题。1942年1月新一轮测试中，近炸引信实弹射击中取得了50%的成功率，至此技术团队开始考虑批量制造的问题。原来所有测试用引信都是由研制团队所属机构自制，1941年末时埃鲁德公司（Erwood Company）加入制造。研制团队与克罗斯利公司（Crosley Corporation）签订协议，要求开发批生产工艺和相关技术。
实验室内进行测试的无线电近炸引信炸弹
尽管早期试验取得显著进展，但当时仍有不少人认为，无线电近炸引信最佳目标毁伤效果所需的起爆距离可能无法确定。为解决这一问题，技术人员对放大器频率响应的曲线进行了深入研究，以期确定最佳起爆点。密歇根大学加入了这项研究，用缩比模型进行了验证，确定了起爆点设定的基本原则。1942年春，技术团队决定利用全尺寸模型进行试验，检测近炸引信起爆点的毁伤效果。4月，美军在北卡罗来纳州帕里斯岛进行了实弹测试，127毫米舰炮采用近炸引信弹药朝气球吊挂的真飞机进行射击，结果表明引信工作效果良好。美中不足之处在于，测试用炮弹装填的是黑火药，起爆时间偏长，造成炸点稍稍偏后。后来测试中技术人员调松了引信螺纹，让炮弹能够在较低的内压条件下起爆，这下炮弹攻击效果大大改善。技术人员还为近炸引信研制了保险机构，确保炮弹飞离炮口安全距离后引信才开始工作。
大小口径舰炮都配发这种引信后，防空效果得到明显改善
1942年中期，近炸引信的全部组件均告完成。1942年8月，海军“克里夫兰”号巡洋舰使用127毫米舰炮进行实弹测试，效果令人满意。9月克罗斯利公司开始量产近炸引信。11/12月，第一种定型的Mk 32近炸引信配发到海军舰队。1943年1月5日，“海伦娜”号巡洋舰就用近炸引信击落了一架日本爱知99型俯冲轰炸机。这是第一架丧命于近炸引信之下的日本飞机。
量产过程中，人们发现作为先进技术装备的近炸引信仍显复杂，批量生产需要细致的质量管理手段。军械局专门成立了一个机构来管理近炸引信量产问题，但是效果不佳。于是研制团队受命接管质量控制问题，同时负责近炸引信的工程化改进。1942年5月，研制团队脱离NDRC，被直接置于科学研究发展办公室（OSRD）管辖之下。至此整个团队全部转入约翰·霍普金斯大学应用物理实验室。
炸弹用M168近炸引信特写，当时这是绝对的军事机密
1942年夏开始，美国开始为英国海军舰炮研制近炸引信。英国海军舰炮炮弹头部直径更小，这要求Mk 32引信必须瘦身，才能装上英国炮弹。英国人最初要求引信里装上可调的自毁机构，以避免哑弹落入己方阵地或设施。技术团队为此改进开发出Mk 33引信。1942年末，美利坚无线电公司（Radio Corporation of America）开始生产Mk 33引信，1943年起，著名的柯达公司也加入生产大军。到1943年9月，Mk 33引信量产趋于稳定，美国开始向英国交付这种新锐装备。Mk 33专门用于英国海军4.5英寸（115毫米）舰炮，这是英国海军舰艇主要防空武器。
T-4型无线电近炸引信
除了Mk 33，美国还为英国驱逐舰用4英寸（100毫米）舰炮开发了尺寸更小的Mk 41型近炸引信。Mk 33和Mk 41体积更小，为此美国专门研制了小型电池，但是却发干电池的贮存寿命只有几个月，没法保证引信参战时可靠供电。前线部队反应，原有的Mk 32引信也同样有电池消耗问题，在高温热带地区通常存放几个月干电池就会失效。技术人员只能继续为战胜新问题而奋斗，他们开始着手研制一种被称作储备电池（Reserve Battery）的新型电池。这种新电池极富创意，是一种湿电池，包括装有活性电解质的密封玻璃瓶和金属电极板两部分，玻璃瓶平时可以长期存放，直到火炮发射瞬间才会在强大的加速度作用下碎裂，这样电解质就会与电池极板接触发生反应，开始为元器件供电。设计这个玻璃瓶并不简单，瓶子既要足够结实，可以耐受战时的野蛮搬运，又要能在火炮射击时因为加速度而立即碎裂，为此技术团队做了大量试验，取得了关键设计参数。到1944年初，储备电池开始普遍应用于近炸引信。
T-89无线电近炸引信特写，利用风力叶轮来产生电力
近炸引信还在继续瘦身。1943年春，美国又设计出更小的Mk 45近炸引信，可以用于陆军野战火炮。这种引信可以让炮弹在空中特定高度爆炸，有效杀伤地面人员。最早投产的Mk 45用于配备陆军90毫米高炮，此外美军还开始为其他各种陆军榴弹炮开发近炸引信。
随着用户不断扩大，保密成了一个大问题。美军为这种高技术装备制定了严密的保密措施，要求在哑弹可能落入敌占区或被敌人回收的情况下不得使用近炸引信。也正因如此，近炸引信虽然作战效能极佳，却并不是海陆军想用就能用的装备。美军武器库里的近炸引信堆积如山，而各个部队大多数时候却只能使用老旧引信。终于，战场需求压力战胜了保密压力。1944年12月美军做出决定，解除对近炸引信的使用限制，于是它们开始在欧洲战场大量使用，给纳粹德国造成了严重的损失。在突出部战役中，近炸引信炮弹在打击德军方面发挥了重大作用。蜷缩在掩体和战壕内的德军士兵，在无线电近炸引信炮弹30英尺的空爆高度下，几乎没有任何防范能力。巴顿中将这样评价，“VT引信会改变战争面貌。我很庆幸我们最先想到它。”
打击掠水目标是无线电引信受到干扰的主要原因，不过美国人很快改善了这一问题。
近炸引信实战中很快又发现了新问题：用它对付掠水低空飞行的鱼雷机效果不佳。究其原因，低平弹道射出的炮弹由于水面回波作用会导致引信过早爆炸，在某些情况下引信甚至不会启动。为解决这一问题，技术人员又在引信中加上了水面回波抑制电路，这实际是一个自动音量控制电路（AVC），能有效减少引信对水面回波的敏感性。整个战争期间，APL都在对无线电近炸引信进行持续开发和改进。在最高峰时期，全美有超过300架企业的10000名工人在制造近炸引信，日产量高达70000枚。
今天无线电近炸引信已经成为海军舰炮的标准技术装备。
直到今天，美国海军舰炮使用的近炸引信仍然秉承了最初的设计理念，只是在设计制造技术上进行了改进。美军近年的评估报告认为，近炸引信的水面回波抑制电路仍有不足。目前AVC引信可以允许在距离水面较低的高度使用，但还是需要进一步改进。此外，这些近炸引信应具备敌我识别能力，防止误伤己方飞机。最重要的是，这些无线电近炸引信一旦遇到敌人的电磁对抗措施，会变得十分脆弱——尽管这一问题尚未出现，但是毫无疑问引信的反对抗性能必须得到改善。美军目前在这一问题上已经取得了一些进展，但是效果尚不能完全令人满意。