题图：VT信管的剖面图
许多年以后人们回想起二战最终盟军的胜利，总会提到三件武器——原子弹，雷达，VT信管。
这个说法最早起源于何处如今已经不可考，将这三件武器放在一起来说多少有些不公平。原子弹的名声非常响亮，但必须指出的是，它在二次大战期间对于盟军并不算“扭转乾坤”的武器（讽刺的是，轴心国如果有了这种武器反倒是有可能扭转乾坤的）。
和原子弹相比，雷达倒是一种让盟军在至暗时刻坚持下来的武器——1940年，英伦三岛的雷达系统在抗击纳粹德国的空袭时发挥了不可替代的作用。在这之后，各交战国的雷达技术在短短几年之内有了长足进步，这其中当然也包括轴心国的雷达。所以，雷达对盟军的胜利至关重要，但并不算是盟军独有的武器。
刚才列的三种武器当中，真正在战争期间只有盟军拥有的武器是VT信管。这种武器在盟军反攻的道路上拯救了无数的生命，并使得盟军的战时经济不至于被高射炮弹巨大的生产消耗所拖垮。或许没有VT信管，盟军可能仍然能打赢二战，但肯定不是以我们熟知的方式进行。然而，讽刺的是VT信管在这几种武器当中的知名度算是最低的，以至于几个月前跟一位熟知历史的朋友谈及此事，那位朋友的反应是——什么管？我都没听说过。
那么，或许应该写点什么去讲讲这种传奇但并不起眼的武器，这就是写这篇东西的目的了。
关于打飞机的难题：
20世纪20到30年代，航空技术取得了长足进步，飞机飞得更高，更快，载弹量更大了。如此一来，高射炮打飞机就变得越来越困难。显然，对于在空中快速移动的物体，指望高射炮弹直接击中而爆炸是非常不现实的，那时候的防空炮弹一般是用的定装引信——炮弹在飞出去多久之后爆炸是需要事先设定好的。自然，设定引信的速度跟不上飞机移动的速度，所以当时的高射炮防空是采取所谓“弹幕防空”的方式，也就是说预先设定好高射炮弹的爆炸高度，用大量的高射炮在设定好的高度打出一个“弹幕”的盒子，敢于穿越这个弹幕的敌机都会被炮弹碎片击落。不过，这样的弹幕维持不了太长时间，所以要想维持这样的弹幕就要不断地往空中打高射炮弹，而且敌机也不傻，并不会“径直穿越弹幕”，这样的弹幕也就是迫使敌机高飞影响投弹的精准度。直到二战结束，这种防空模式在各国都是主流的情况。
图注：二战德军88毫米炮的弹药引信装定钵
在这种情况下，倘若以“击落敌机”而论，二战时期防空的效率非常低。以5英寸（127毫米）高射炮为例，平均消耗2500枚炮弹才能击落一架敌机。因此，高射炮弹的生产对于各国的军工生产构成了非常沉重的负担，尤其是对于面对空袭压力最大的英国和德国，更是如此。到了1944年以后，德国的军工生产，尤其是弹药生产跟不上战争形势的需求，这和相当一部分产能被拿来做高射炮弹关系非常大。
图注：二战时期高射炮弹在夜空中交织的景象
图注：二战时期德军高射炮的密集弹幕，这种防空方式的弹药消耗量非常惊人
对于海军来讲，防空的形势要更严峻一些。舰队在海上的防空预警体系并不能如建立在陆地上的那样有那么好的效用，而且即使少数几架飞机突破防空网就足以对主力舰造成不可挽回的损失，更不要说军舰携带的弹药终归受到自身载重的限制，不可能像地面炮兵一样做到“无限制供应”。这个时候，海军如果继续满足于“用几千枚炮弹击落一架敌机”是肯定不行的，海军有非常迫切的需求用“较少的炮弹”击落一架敌机，如果能够让炮弹自动感知敌机的距离并在合适位置爆炸，用弹片杀伤敌机，那就再好不过了——这其实也就是VT信管设计的初衷。
VT信管的起源：
让炮弹在合适的时机起爆，其中一个关键的部分在于让引信具有态势感知能力。在20世纪上半叶，无线电技术获得了长足的发展，将无线电技术用于炮弹引信的想法也随之萌生。这样的原理并不复杂，就是多普勒原理而已。相关的论文1925年左右的时候就可以被查阅到。不过，这种技术被认真地考虑用在军事领域是要到1938到1940年间了。当时的英国军工部门开发出了和雷达原理类似的高射炮弹引信计划，不过这样的炮弹引信无线电发射装置是放在地面上，而炮弹引信只是一个无线电接收装置。这样的结构在战争中会带来诸多不便，更何况整个无线电引信也还有其他需要认真研究的技术问题，在当时纳粹德国兵临城下的情况下这样的研究也就没有继续进行下去，相关的研究也就不了了之了。
能够让炮弹在距离敌机适当的距离引爆是无线电引信的最终目标
与此同时，在大西洋彼岸的美国，卡耐基研究院的万尼瓦尔·布什博士（Vannevar Bush）觉得，面对迫在眉睫的战争，应该去做点什么技术性的研究，于是他成立了一个“国防研究委员会”并呼吁国会拨款。在国防研究委员会看中的一些新的技术中，英国的“无线炮弹引信”引起了足够的重视，梅尔·杜武博士（Merle A. Tuve）领导的T部门对此专门负责（T字是杜武的姓氏Tuve首字母缩写）。事实证明，“国防研究委员会”还是非常有先见之明的，1941年12月，美国就因为珍珠港事件被拖入了二战。
“国防委员会”的先见之明还不止于此。卡耐基研究院的负责人是和平主义者，他们认为一切跟战争相关的研究只有在战时才能进行。在这种情况下布什觉得，这个“国防研究委员会”在战后肯定会有更大的发展， 既然如此卡耐基学院就并非久留之地。于是，他们一边进行着包括“无线电引信”相关的研究，一边为研究所寻找新址。在1942年3月6日，布什博士同著名的约翰. 霍普金斯大学（JHU）谈妥了条件，从3月到9月，以80万美元的租金在霍普金斯大学里找块地方继续研究，这也成了霍普金斯大学应用物理系的前身。
M·A·杜武博士，VT信管之父，霍普金斯大学应用物理专业之父
国防研究委员会最早在霍普金斯大学的办公地，可以看出原来是一家二手车商店。
随后关于无线电引信的研究就在霍普金斯大学里展开了。如前文所述，无线电引信的原理简单，但真的要把这种引信制造出来会有非常多实际的问题，这些问题包括以下的几个方面：
首先，在当时的技术下，发射无线电的装置就只有电子管（又称真空管）。这种玻璃制的装置很脆弱，无法经受炮弹发射时巨大的冲击和炮弹高速的自旋。以美国海军的127毫米高射炮为例，其射击时炮弹出膛的瞬时加速度是20000G，而炮弹自旋产生的重力加速度是5000G，无线电发射装置必须能够在这种严酷的环境下还可以使用。
其次，无线电发射和接收装置的供电元器件如果采用电池，传统的蓄电池太大太重根本不予考虑，而采用干电池的话，当时的技术条件下炮弹储存期间干电池电量最多维持90天，而高射炮弹是一种大规模的消耗品，也不可能在前线随时更换电池——这也是困扰研发者的一个巨大的问题。
图注：无线电发射和接收装置的原理并不复杂，但严苛的使用条件使得这样的理论转为实际需要克服很多障碍
这两个问题的解决都是依靠着天才的设计。首先，针对炮弹射击时巨大的冲击，杜武的科学团队将真空管尽可能缩小体积，最终在127毫米炮弹上所用的真空管被缩小到了一个橡皮擦的尺寸。除此之外，杜武团队内的科学家范艾伦（James Van Allen，他后来在美国的航天事业中做出了巨大贡献）为这个真空管设计了一个叫“鼠笼”的弹簧缓冲装置，最终，整个装置被装在一个橡胶套里，连同整个电路被封装在蜂蜡中。这样一来，炮弹发射和自旋的冲击对电路的影响就降到了最小。
127毫米炮弹VT信管所用的电子管和封装设备
针对电池的问题，研发团队想到了一个天才的设计。无线电信管采用“湿”电池，但并不打算用传统的蓄电池形式。组成电池成分的电解液被封装在安瓿瓶中，当射击时，猛烈的震动会将安瓿瓶打碎，电解液溢出，然后炮弹出膛的自旋就会将电解液均匀地向外推挤，以此形成电池的回路。这样的电池最多也就只能维持一分钟的电能，但这对高射炮弹来说已经足够了。
这两个问题是在1942年初就得到解决的。到了1942年1月，首批样品接受设计测试，目标是波托马克河，河面足够提供强烈的电波反射了。在这一天的射击中，炮弹的成功率是52%，超过了最低值的50%，“无线电引信”的构想成功了。由于这种引信可以在接近飞机时自动爆炸，所以相比于“定装引信”，新的引信被称为VT引信，也就是“定时可变引信”（Time Variation的缩写），或者“接近爆炸引信”（Proximity Fuze，简称近炸引信）。这种引信的主要结构是使用弹壳为天线。信管内藏真空管无线电波发射器，通电后向外放出180至220兆赫的无线电。当弹体接近反射物体时，部分电波被反射。随着炮弹与目标距离减少，多普勒效应使反射电波在发射器的电流内造成200-800赫的低频讯号。这信号经过过滤及放大。当讯号强度超过一定限度时，便进行起报。
MK-53型VT信管剖面图
从实验室到战场：
1942年3月，杜武博士领导的T部门搬迁到霍普金斯大学，他觉得这个“T部门”听起来神神秘秘的，于是将其负责的部门重新命名为“霍普金斯大学应用物理系”。与此同时，VT引信的研发已经进入了优化设计准备量产的阶段。在这段时间，研发者针对VT引信做了一系列实验，这些实验既包括在能产生30000G离心力的离心机上对其进行强度测试，也包括实弹射击。每一次实弹射击之前，霍普金斯大学应用物理系都会委托雷神公司（Raytheon，至今仍然是美国军火巨头之一）生产出一批弹药。在实弹射击之后，美军的工兵会在弹坑里把引信的残骸挖出来送回霍普金斯大学，研究人员对这些残骸和射击场的数据进行分析，改进生产，优化设计。就这样，一边小规模预生产，一边改进设计的工作持续了半年。这期间大学的研究机构和军工企业的紧密合作堪称典范。
VT引信只剩下最后一个要解决的技术问题了，那就是“无线电引信应该在距离目标多远的距离爆炸”。为了解决这个问题，研究人员搭了一个铁架子，在上面放了一架日军的中岛九七式战斗机，并在2英里之外用127毫米火炮从任何可以向得到的角度向这架飞机开火。最终，实验人员得出结论，将引信的起爆距离设定在50到70英尺，也就是20米左右，效果是最好的。
图注：试验结束后的飞机骨架，这显然不是最早拿来测试的日本飞机了，应该是研究人员自己弄来的飞机骨架
图注：VT信管是通过比较雷达回波和发射波的区别来判定距离的，一个多普勒效应的具体应用
1942年8月，VT信管终于迎来了上舰的日子。美国海军克利夫兰号轻巡洋舰（USS cleveland，CL-55）的127毫米高射炮口对准了三架来袭的靶机。第一架靶机在发射之后不久就坠毁了。第二架靶机和第三架靶机飞临克利夫兰号轻巡洋舰附近，炮手们只用10枚炮弹就击落了第二架靶机，用了20枚炮弹击落了第三架靶机——相比于传统的防空作战，这是一个几何级数的飞跃。VT信管在这次实验中展示出了它对战争不可估量的影响。
美国海军发射无人靶机以供测试，这是一种极为难以被击落的小目标
1944年的轻巡洋舰克利夫兰号，VT信管的第一次上舰测试就是在这艘军舰上进行的
这次测试成功之后，VT信管得以大规模生产并下发部队。为了防止泄密，美军对VT信管的使用有严格的限制，当时瓜达卡纳尔岛上的防空炮是没有装备VT信管的，这是为了防止日军捡到这种引信后仿制。第一批装备VT信管的部队是太平洋舰队的军舰们。1943年1月5日，轻巡洋舰海伦娜号（USS Helena）用装备VT信管的炮弹击落了一架日军轰炸机，这是VT信管第一次在实战中击落敌机，此时距离美国人正经开始研究这项技术仅仅过去了一年半，距离VT信管第一次朝着河面开火也才过去了不到一年。
轻巡洋舰海伦娜号，VT信管的第一个战果来自这艘军舰
大规模生产VT信管：
从1942年到1945年，VT信管得以大规模生产。到战争结束前，VT信管的总产量是2200万支，这当中33万支左右用来进行各种测试，而在战场上被发射出去的VT信管达到150万支。得益于大规模的生产，每支VT信管的成本从1942年的732美金降到了1945年的18美金。
许多公司都参与了VT信管的生产。这其中，生产VT信管电池安瓿瓶的公司有National Carbon（现在的美国石墨材料巨头GrafTech的前身），也有胶卷业的巨头柯达。信管当中的核心元件电子管是由雷神公司生产的，而负责整个信管封装的公司中，最主要的一家是照明灯具厂商喜万年（Sylvania，颇为讽刺的是，喜万年的母公司是德国著名灯具制造商欧诗郎）。喜万年公司的工程师以一丝不苟的态度进行着VT信管的封装工作，“如果给我们提供的样品里有一只苍蝇，我们也会抓苍蝇放进我们所有的产品里。”
图注：1944年一家VT信管的生产企业
在二战时期，生产VT信管的主要是女性，她们操作着珠宝匠人的工具，一丝不苟地组装着电子管和电路。在当时，即使是这样大规模生产的军用品也是有着极为严格的质量检查规程，最早的时候有些生产VT信管的工厂在高温高湿环境下生产的产品良品率不高，后来给这些工厂装上了空调之后，生产的良品率就变得很高了。除此之外，为了缓解工人们生产时的压力，工厂每隔一段时间（一般是15分钟到半小时）都会放一些舒缓的音乐，让工人们得以喘息——这种人性化的举措对于维持生产至关重要。最终，参与VT信管生产的40家公司在110个不同的工厂内有条不紊地将这种“改变战局的武器”源源不断地输送到前线。
图注：参与VT信管生产的女性
VT信管的实战表现：
VT信管第一个大展身手的舞台是太平洋战场。美国海军的统计表示，这种信管的杀伤力比起传统的高射炮信管大了2到6倍。在舰队防空中，击落一架敌机在1942年时需要消耗2000枚炮弹，现在有了VT信管只要200枚就够了。这种新的引信让美军的舰队防空有了质的飞跃。
一架低飞靠近美军航母的日军鱼雷机
1943年的太平洋战场上，由于在前一年的几次航母大战中双方均损失惨重，美军和日军都在有意地撤回主力舰，但太平洋前线的航空战却一刻也没有停歇。日军的海军航空兵精锐以拉包尔为基地不断地对瓜达卡纳尔和所罗门地区的盟军发动空袭。在VT信管出现之前，日军的空袭还是可以取得一定的战果的，但当盟军有了VT信管的保护之后，日军整个1943年对盟军的空袭没有取得像样的战果，反而是精英飞行员损失的比例不断上升。到了1944年初，经历了整个所罗门海空战的大放血之后，日本海军航空兵已经没什么老兵了，同年6月，日本海军航空母舰部队在保卫塞班岛的战斗中被寄予厚望，但他们所能依靠的却基本都是一些菜鸟，所以整个马里亚纳海战变成了“一边倒”的“马里亚纳火鸡大猎杀”并不奇怪。
山本五十六的最后一张照片。他直到死都不知道日军所谓的“空袭大捷”基本都是吹牛，美军的VT信管已经彻底改变了游戏规则
一直以来公众们都认为中途岛海战是太平洋战争的转折点。但是需要注意的是，中途岛海战日军虽然损兵折将，那些身经百战的飞行员们却大部分活了下来。真正让这些飞行员们一去不复返的是1943年漫长的所罗门海空战。可以说，中途岛海战拔掉了日本帝国这头怪兽的牙齿，而打断这头怪兽脊梁的是所罗门海空战，在这个过程中，VT信管功不可没。如果没有这样的武器，美军在一整个1943年面对日军的空袭，损失会大得多，而日军得以保存下来的精英飞行员也会多出不少，那样的话，1944年的战局就是另一个样子了。战后，日本海军的一些军官也承认，1943年以来面对空袭美军舰队基本上有去无回的局面让他们萌生了自杀攻击的想法。
图注：拉包尔的日军飞行员，所罗门海空战中，VT信管让许多日本海军飞行员去了靖国神社
在1944年下半年，当日本海军开始使用神风特攻机自杀冲撞美军舰队以后，VT信管的表现反而不如过去那么抢眼了。据统计在战争最后阶段被美军击落的日本神风自杀飞机中，80%左右都是被小口径的博福斯和厄利孔击落，VT信管击落的飞机只占到20%。这是有原因的。首先，神风特攻机挑选的目标中有不少是小型舰艇或者商船，这些船只是无法装设127毫米火炮的，只能装备小型火炮，所以VT信管的杀伤效率会变低。其次，当时美军舰队上空有战斗机掩护，在许多情况下美军防空军官为了避免误伤自己的战斗机，会下令大口径高射炮停止开火，而日本特攻飞机所选择的飞行轨迹又是“到最后一刻才跃升俯冲”，这时能阻止特攻飞机的也就只有小口径高射炮了——上述种种原因造成了VT信管的表现在战争末期有所下降，但这不能动摇这种武器在战争史上的影响
反映日军神风特攻机冲撞美军航母的艺术画
在远离太平洋的欧洲战场，VT信管也有机会大显身手，这其中最重要的事件就是在1944年拦截V-1飞弹。当说到1944年时，许多后人有一种不正确的印象，会觉得此时的轴心国已经走向了覆灭的边缘，盟军无论怎样做都能轻松获胜。这种想法非常荒谬，且不说在前线奋战的盟军士兵每时每刻都在面对死亡的威胁，就算是从战略层面上来看，这一年的轴心国仍然没有放弃夺回战略主动权的努力并进行了许多积极的尝试，而盟军领导人一招不慎，的确会造成完全不一样的结局。
在这些事件中，纳粹德国的“秘密武器”V-1飞弹无疑是值得述说的。在后世的描述中，这种现代巡航导弹的鼻祖不可靠，命中率低，“没有对战局造成很大的影响”。但站在当时的视角来看，盟军刚刚登陆诺曼底，战争的胜利刚刚出现曙光，此时的纳粹德国开始不间断地用V-1导弹轰炸伦敦，从1944年月到8月，平均每天飞向伦敦的V-1导弹达到120枚，如果这些导弹不加以拦截，造成的人员损失只会比历史上更大，而这对盟军的士气造成什么样的影响就很难讲了——事后诸葛亮总是很很轻松的事情。
保存至今的V-1飞弹，存放于英国帝国战争博物馆Duxford分馆（本文作者供图）
实际上，历史中的V-1飞弹命中率低是因为其相当大一部分都被拦截了下来。这其中装备VT信管的高射炮功不可没。当然，英国人在使用VT信管时也是充分地考虑了防间谍的需求，所有装备VT信管的高射炮都放在靠近海峡的地方，这样做的目的是不让任何VT信管掉在地上被德国间谍捡到。
1944年6月末，在德军的一次V-1导弹空袭伦敦的行动中，德军总共发射了104枚V-1飞弹，这其中16枚在飞越海峡时坠海，14枚被战斗机拦截，2枚被阻塞气球拦截，在伦敦击中目标的是4枚——剩下的68枚V-1飞弹都被装备VT信管的高射炮所拦截，其拦截的比例非常惊人。就算这68枚飞弹当中有三分之一掉在伦敦，后果也是会比历史中记载的真实情况严重得多。
冲向伦敦的V-1飞弹，VT信管不能完全阻止这类事件发生，但已经将其降低到最低的限度了
V-1飞弹的速度很快，目标又很小，用传统的高射炮去拦截是一个几乎不可能完成的任务，而用VT信管的话，用200枚炮弹就可以击落一枚V-1导弹。英国战时首相丘吉尔在二战回忆录中声称，“美国生产的接近爆炸信管（VT信管）在帮助我们拦截V-1袭击时发挥了不可估量的重要作用。”
美国陆军也得到了相当数量的VT信管，在陆军中，这种信管叫POZIT。陆军使用无线近炸引信的目的是让炮弹凌空爆炸，让飞溅的弹片杀伤掩体内部的人员和车辆。一开始，美国陆军对这种引信不熟悉，并发生了忘了移除生产商预先装在引信中的绝缘纸从而导致引信失效的笑话。但在1944年12月的阿登战役中，美军在蒙绍附近使用这种炮弹轰击了德军阵地。当时的天气很差，德军认为美军不能在这么恶劣的天气下进行炮兵观测和射击，因此肆无忌惮。在遭到POZIT炮火轰击之后，德军伤亡惨重，而美军战后的分析表明POZIT的威力是普通炮弹的7倍，巴顿将军更是声称“这种引信将改变整个未来战争的局面”。
美军部署在阿登的M59 “长汤姆” 155毫米重型榴弹炮
后记：
在整个战争期间，VT信管都是盟军的独门秘技，有证据表明德军试图开发用声音频率控制爆炸的引信，而日军试图开发一种光学引信，但这些都没有成功，真正大规模使用并影响了战局的，就只有盟军的VT引信。战后，二战中德军的黑科技被吹上了天，但若论可靠性而言，VT引信比最早的德军导弹要好很多，其大规模生产也成了盟军最终获得胜利的重要原因。虽然VT引信在大家的认知中远不如原子弹和雷达那么出名，但能登上“决定二战战局的武器”前三名，本身就说明了一切。
VT信管是人类历史上开始对“聪明弹药”摸索的尝试。其采用的电子管技术在1947年被更小巧的晶体管取代。到了1958年，集成电路在美国问世，并在以后很长的时间内按照摩尔定律的语言呈指数化发展。在这样的技术革新下，“聪明弹药”同二战时期的前辈比起来已经是不可同日而语，但VT信管作为一切聪明弹药的前辈，在整个武器发展的历史上也有非常重要的地位，诚如巴顿所说，这种武器完全改变了后世的战争形态。
如今，在约翰霍普金斯大学应用物理专业的报告厅里也还有一个小小的展示柜，那里展示着作为这个专业起点的VT信管实物和相关的历史文件。约翰霍普金斯大学的应用物理专业在美国国防，航天和理论物理领域都建树颇多，这一切的起点都可以被归于在橱窗里陈列的VT信管，那个改变了二战结局，也改变了世界的小玩意儿。
在约翰霍普金斯大学应用物理系陈列的VT信管实物
完
