杂谈 从电路图 解读VT引信
各位读者大家好，我是图林根。近日略有些闲暇时间，翻阅了一下网上的关于二战VT引信的资料，对其结构和原理有了更为深刻的理解，遂发此文。
VT引信，在大多数人的眼中，是“黑科技”，非常的NB。那么VT引信真的像大家想象中的那么复杂吗？VT引信内部的电路是怎样运作的呢？今天小编就来带大家看看吧。
本文将以浅显易懂的语言，介绍（部分搬运）电子管VT引信在电路上的基本原理。
序·前言
1.主要参考资料：
2.阅读本文需要一定的电子管电路基础，高中及以上水平即可。
3.本人不是学电的，用词不一定专业，对电路的理解可能和原文有出入，请以原资料为准。
4.本文涉及：使用电子管的早期VT引信、VT引信的电路原理（以图为例）、VT引信的部分结构。
5.本文不涉及：晶体三极管出现之后的VT引信、VT引信性能比较、战史。
正文：
VT引信，或称可变时间引信，亦或近炸引信等等，其基本原理是：引信向外发射某种频率的电磁波，而电磁波遇到符合条件的物体会发生反射。引信接收并处理反射回来的电磁波，当满足一定条件时触发点火元件引爆炸弹。此种引信在二战末期或二战后常用于对空、对陆等的打击，和常规的碰撞/延时引信相比，VT引信配合合适的弹药可以在某些情况下达成更优的打击效果。
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零.VT引信基本结构
(VT Fuze Mk 53 Mod 5)
好了看完了，下面我们来看电路部分。
一.电路
电路是VT引信的核心部分，VT引信的主要功能无不依托于其内部的电路。
根据参考资料中的分块电路图，本人手绘了如下的整体电路图：
划重点啦，上课要考
值得说明的是：此电路图并没有指定是某一种型号的VT引信，也不一定是某种VT引信的真实电路，但其基本原理和当时的VT引信（以MK 53 mode 0为例）相同，因而仅供参考。但是根据1943年海伦娜号轻巡上的127mmVT引信炮弹射击记载来看，当时使用的VT引信确实是一种由五只电子管为核心的引信，且根据我个人制作电子管电路的经验，按照此电路稍加修改，是有可能做出真的VT引信的。
以此电路为基准，可见V引信的电路包含的元件种类并不多。在那个晶体三极管尚在研制中的时期，电子管（真空管，以下均称“电子管”）无疑是VT引信中不可或缺的放大元件。而此电路也可以被认为是以电子管为中心，围绕电子管展开的具有较为完善功能的电路。为方便分析，我们可将其分为四个部分，即：
1.发送-接收电路
2.放大电路
3.点火电路（连接电雷管）
4.波形/波幅抑制电路（有的VT引信没有这部分）
1.发送-接收电路（T-R circuit）
如果说电路是VT引信的核心，那么无线电收发器无疑就是电路的灵魂了。
这是一个超级简易的多普勒雷达，仅用了一个电子管。它可以被认为是哈特莱（Hartley）振荡器（海军VT引信也使用Colpitts振荡器）的改进版，兼顾发射和接收功能。
这个电路中的A电池和线圈、扼流圈、灯丝组成了一个回路，灯丝依靠这个回路获取足够的电流，使电子管阴极开始发射电子。B电池和阳极（负载）电阻组成的供电回路在电子管阴阳极之间形成一个电场，使电子管内部产生大小合适的屏流，电子管处于正常工作的状态。（电子管真就难伺候，经常需要多组电池。晶体管一般一组电源就够了）
由于实际电路并非理想电路，在电路的某些地方，由于各种各样的原因会存在很小的干扰。当电子管栅极受到一个很小的干扰后（红色箭头），这个干扰被电子管放大，导致下图绿色回路的电流发生较大的变化。
由于左侧线圈是中心抽头式，因此在三个引脚中的任意两个引脚之间的电流变化，都会引起整个电感产生感生电动势，这个电动势又被上方的引脚送到电子管的栅极。（下图）
于是循环开始了，振荡器开始以一个较为固定的频率重复上述过程，这个频率主要和电感的电感量和虚线连接的电容（分布电容）有关。可以用LC谐振频率公式计算。
这个分布电容就比较有意思了，它其实并不是某个单独的元器件，而是“寄生”在现有的结构上的：天线周围是一圈金属筒，金属筒接地并起到一部分屏蔽作用。这个寄生电容主要就是由天线和金属筒构成的，别看这两块离得较远的金属，他们之间的电容只有数皮法，但是别忘了这是高频电路，据某些资料显示，早期的一种VT引信的振荡器震荡频率约为800MHz，如此高的频率，这么小的电容也绝对是不可忽略的，再加上线圈本身有分布电容，导线和导线之间还有分布电容等等，这个参与谐振的“电容”算是东拼西凑出来了，不得不说设计的非常巧妙。
震荡正常进行时，天线和金属筒之间会产生交替变化的电场，这个电场又会激发出交替变化的磁场，电磁波就这么发射出去了。理论上的发射范围如下图。
实际的发射范围可不一定完全是这样。某种VT引信的无线电信号有效“探测”范围（黑色线条围成区）和其对应的某种5英寸炮弹破片范围（灰色阴影区）如下：
当电磁波遇到移动的物体（假设是个飞机）时，我们假设飞机和炮弹是相对接近的，此时反射信号由于多普勒效应，会比炮弹发射的信号的频率高一点点。
这公式不是多普勒公式，仅仅对这一现象进行说明
当反射信号返回炮弹时，会被天线接收（天线可以同时承担发射和接收任务），由于天线直接连在电子管栅极，信号会被放大，并与原本振荡器内的震荡信号以合适的方式进行叠加，叠加后的信号会存在一个低频分量（大约400-800Hz），这个分量分频率等于返回信号的频率减去振荡器自振的频率。
在Multisim上的低频模拟如下：当电路合适的时候，可以将这个分量很好地分离出来。
当然，上图的收发电路并没有模拟的这么复杂，它分离低频分量的方式是“消灭”高频分量，先利电子管栅极进行初步检波，再用旁路电容将高频分量“短路”，将高频留在震荡电路里。从而输出的波形中，这个低频分量所占比例会大大提高，以便后续电路的处理。
扼流圈的作用就是通直流阻交流，设计者既不想让那里流过交流信号，还想给灯丝供电，又想共用一个A电池，所以才有了这样的设计。在二战英国 paraset 万顿MK7型 CW电报机中也灵活使用了扼流圈，只不过paraset的扼流圈用在了电子管的阳极供电，用于分离音频和高频信号。
引信距离这个物体越近，反射回来的信号强度就越强，叠加出来的这个低频分量就越大。当距离足够近时，低频分量的大小大于某个阈值时，后续的电路就开始起作用了。
2.放大电路（Amplifier）
由于收发电路仅有一个电子三极管作为放大器，其放大能力非常有限，因此这个放大电路的作用是将收发器送来的微弱信号放大，以更好地推动后续点火电路。这是个非常经典的五极管高增益接法放大器，第二栅并没有直接接B电池正极，前后两级基本一致。和电子管音响设备的前级如出一辙。并没有什么好过多解释的。
值得说明的也就是串联灯丝和旁路电容了。两只运行电流相同的电子管就可以串联灯丝共用一个电源，电源理论电压和两只管子灯丝电压和相同。旁路电容可将放大后的信号的高频分量消除，以减小其对后续电路造成干扰。
3.点火电路（Firing circuit）
收发电路判断炮弹是否接近目标，放大电路将信号放大，现在轮到点火电路执行命令了。
这个电路的核心是充氩气闸流管和储能电容（右上）。A电池负责点燃闸流管的灯丝，C电池在初始状态给予闸流管一个栅负压，使其阴阳极之间不能导通，此时闸流管的阴阳极之间电阻可达几十K到几M欧姆，可以认为是断路。
当炮弹离开炮口，开始自旋时，弹簧开关和水银开关会断开（后文详细讲解），B电池由于放电能力有限，并不会直接激发电雷管，而是通过一个电阻和电雷管，以较小的电流向储能电容（或称起爆器电容）充电，电容逐渐充满，其两端电压趋近于B电池电压，此过程中只有很小的电流流过雷管，并不满足起爆条件。
当炮弹接近目标，收发器输出的低频分量足够强时，这个信号在放大器放大后经由隔直电容，送到闸流管的栅极，当电池C与栅极电阻组成的负压源不足以对抗这个低频信号时，在某个信号半周，闸流管的栅极电位会变成正电平，闸流管阴阳极导通。由于闸流管内充有氩气，其导通时电阻很小，仅有几K至几百欧姆，可以认为是阴阳极瞬间短路，如下图（此时的简化等效电路）
此时储能电容的电压瞬间加在电雷管两端，由于电容放电能力非常强，单位时间内送到电雷管的能量足够大，使其达到起爆条件，并以此引爆炮弹内装药，炮弹爆炸，并完成一系列的后续过程。
由于电容通过与B电池之间还有一个电阻，充电不是瞬间完成的，达到起爆所需能量需要一定的时间（如下图），所以早期VT引信几乎不能以无线电近炸的方式攻击极近距离目标（碰撞接触另说）。不过这也算是一种保险，确保不会因为提前爆炸而损伤己方作战单位。
4.波形抑制电路（WSF circuit）
说到这有人可能要问了，前面三个电路就能完成全部过程了，多出来这部分是做什么的？
早期一些VT引信确实没有这部分电路，这个电路也是根据实际情况改进VT引信的时候出现的。炮弹在飞行过程中，会受到各种各样的外界干扰，比如海面杂波，空气中的无线电波等等，如果引信收到干扰，在不正确的时间引爆，岂不是亏大发了？WSF电路就是为此而生。
按照原资料中的理论，海面杂波、空气中的无线电波等干扰，可以被认为是大小动态稳定在某个幅值附近的，而且这些信号也是频率较低的信号，无法直接用旁路电容清除。（以防空炮弹为例）而显然当VT引信接近飞机时，多普勒效应催生的低频信号要比干扰信号强很多，所以WSF电路的功能就是尽可能减小杂波对点火电路的干扰，同时不影响接近敌机时增强到一定程度的低频信号触发点火电路。
当炮弹并未足够接近目标时，放大器中放大的信号都是些杂波。这些放大后的杂波的幅值并不大，在放大器输出端一部分流入WSF电路的隔直电容，由于电子二极管的单向导电性，WSF电路会选择负半周的信号输出到放大器的WSF输入端口，以调整放大器第一级五极管的第一栅极电压，从而使其稳定在一个工作点附近，此时电路基本处于稳定状态，不会触发点火电路。（不会过敏）
当目标距离炮弹足够近时，从收发电路输出了一个幅值较大的低频分量，这个低频信号也会被被放大，但因WSF电路反馈能力有限，并不能大幅度抑制第一级放大器的栅压，从而无法阻止此低频信号被放大，点火电路被接通，电雷管正常起爆。这样，WSF电路才能保证炮弹在不合适的时机不被引爆，而在合适的时机能够引爆。
二.电池 / 电能储存器（Reserve Energizer ）
上文中提到了ABC三组电池，这是VT引信电路部分的能量来源，没有电力供应，VT引信将失去无线电近炸功能。
早期一些VT引信使用的是干式电池，干式电池储存期短（六个月左右），且缺点较多，本文将介绍风评更好的湿式电池，以MK4 mode2 和MK5 mode2 型湿式电池为例。
这种（类）电池的特点就是现用现配（和高中化学讲的现用现配是一个意思）。电池的主要部分有两部分：装有电解液的安瓿瓶、以特定数量和方式串并联的电池极板组。
许多电池在安瓿瓶下方还安装有撞针（左图），非常类似公交车的紧急电动破窗装置。当炮弹从炮膛中发射时，由于很高的加速度和离心力，安瓿瓶会直接破裂，或被撞针撞碎，内部的电解液流出。由于离心力，这些液体被均匀的甩到由隔板分开的一个个小舱室中，这些舱室内部原来的金属片等和电解液在这一瞬间组成了一个结构完整的电池，电动势产生，此时电子管才开始工作，储能/起爆电容也在这时候开始充电。
因此他们在炮弹发射的瞬间才形成一个完整的原电池。因此电路中并没有给ABC电池安装单独的开关。此外，玻璃有较好的密封特性，使得炮弹在长时间不用时，电解液很难变质，电池极板也几乎不会被腐蚀。
笔者根据电路结构推测，如果按照锌电池的电动势，A电池的单元数量最少但是极板的面积和单个舱室的体积最大，以提供一个大电流低电压的条件，点燃电子管的灯丝。B电池的单元数量最多，可达到数十个，舱室大小适中，以为电子管提供一个较高的阳极电压，使其正常工作。C电池的单元数不多，但是舱室体积最小，因为C电池仅仅是为了给闸流管的栅极提供一个负压，栅极电阻一般都非常大，电流极小，因此C电池只需要提供一个电动势，并不需要像AB电池一样输出较大的能量。
三.两个开关（switch）
我也曾经想过，万一安瓿瓶在运输途中破了怎么办，会不会发生危险？实际上设计师已经考虑到了，接下来介绍的这两个开关就是VT引信中最主要的两道保险。
1.弹簧开关（Reed Switch）
弹簧开关结构十分简单，这是一个常闭开关，当炮弹开始自旋后，簧片会因为离心作用，而失去对接触螺丝的接触，达到断开开关的目的。其作为保险元件的逻辑原理，是将充电回路短路，即使安瓿瓶破裂，在炮弹没有自旋时，储能电容也无法充电。
2.水银开关（Mercury Switch）
水银开关其实也好理解，也是个常闭开关。最中间其实就是个金属钉作为其中一个电极，外面是金属外壳+烧结金属制成的汞杯作为另一个电极，这个金属杯在有的VT引信中还使用多孔金属板+纸片代替。这两个电极之间填充了金属汞作为导电材料。
当炮弹开始自旋时，烧结金属疏松的结构无法承受来自汞的压强，金属杯碎裂，汞流到右面的空腔里，导致两个电极之间失去连接，即开关断开。
水银开关作为保险之一的逻辑原理是：在平时短接电雷管的两端，使其两端电压差等于0，即使电容被充电，闸流管导通，只要炮弹还没开始自旋，就不会使电流从电雷管中通过，从而达到保险的目的。
四.打破对于“电子管”和“VT引信”的刻板印象
误解1：电子管体积大
这确实是初高中课上讲的。
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但是请用脑子好好想想，要是所有的电子管都这么大，VT引信是怎么出现的？
实际上的VT引信，使用的电子管应该是一种叫做“拇指管”或“铅笔管”的电子管，他们的特点就是体积小，小到什么程度呢？几厘米长，小拇指/HB铅笔那么粗，这样的大小才能装到引信里去。
误解2：电子管耗能大
说对了一半，但是不同种类的电子管不能一概而论。872型汞气整流管灯丝消耗功率50W，而1T4（1K2）型真空五极管的经典应用灯丝消耗功率为36mW，具体情况具体分析。VT引信使用的电源，虽然很难驱动耗能大的电子管，但是短时间内驱动中小耗能的电子管是没有问题的，这也能满足VT引信对于电源的实际需求。
误解3：VT引信只能用来打飞机
有对陆攻击的战例，请自行查找资料。
五.关于早期VT引信可靠性较低的个人看法
通常许多军迷才讨论二战VT引信时，都会考虑可靠性对VT引信炮弹击坠飞机效率的影响。通过上文对VT引信电路层面的简述，我们不难看出如下几条对VT引信可靠性的影响因素：（当然肯定还有其他因素，以下就不涉猎了）
1.电子管的可靠性
电子管外壳是玻璃的，虽然经过特殊处理，可它相对于金属来说还是易碎。
电子管内部结构较为复杂，灯丝和各种连接处是较为薄弱的地方。虽然VT引信使用的电子管都是特制的，有较高的机械强度和较低的机械噪声，但是依然属于工作在较为极限的条件下，保不准哪天哪个管子就失灵了。
电子管也叫真空管，说明其内部结构需要工作在真空条件，一般非充气电子管的内部气压可达百万分之一到千万分之一个大气压。虽然电子管内部有一些消气剂，但是若存在玻璃密封不完善，慢性漏气的现象，在组装VT引信时很难检测出来，过几个月之后，管子内的气压逐渐升高，引信就不能用了。即使是生产时万无一失，在引信组装过程中的温度变化（焊接）、运输转移过程中的磕碰也会成为慢性漏气的诱因。慢性漏气的周期少则几天，多则数十年，直到技术相当成熟的今天，遇到这种情况的电子管爱好者也无不烦恼。
2.电池的可靠性
干式电池和湿式电池都可能存在这个问题，电池变质、安瓿瓶自己破裂、电解质甩出来时分布不均匀等都会使VT引信在关键时刻失去作用。这一点也成为了后来晶体管VT引信着重解决和改进的问题之一。
3.两个开关的可靠性
开关是机械结构，有失灵的可能。比如弹簧弹性变差或硬化、烧结金属强度过高没有破裂、大块金属碎屑短接了两个电极，都会使其开关所在电路位置的保险无法正常打开，从而锁死了点火回路，使其在正确的时机不能起作用。
4.其他元件的可靠性
VT引信所使用的电阻电容电感电子管等元器件，是通过手工焊接建立有极连接的，虽然有质量检测程序，但元件的可靠性、焊接的可靠性等问题依然有可能出现。在某些较难焊接的焊点，焊锡机械强度可能会因为某些因素下降，一受到震动就有可能断裂。
正在装制VT引信的工人
二战时的VT引信确实存在可靠性较低的问题（相对于常规延时引信）。当然，这其中也有很多无奈之处，因为当时的技术还并不像现在一样发达，当时电子管就已经是最好的放大元器件了，能把这么难伺候的电子管装到引信里就已经很厉害了，要什么自行车啊（误）。
随着晶体管的使用和技术的发展，以上问题基本解决，VT引信的可靠性也大大提高。
六.结语
VT引信在某些人眼中是遥远的的黑科技，被吹得神乎其神。当我们深入剖析，我们就能清楚地发现，二战美军使用的VT引信，无非是几个小型电子管所组成的功能完善的电路罢了。但当我们结合当时的时代背景认真思考，这小小的VT引信，简洁明了的电路背后，是多少科学家的焚膏继晷，是多少突破常规的思维碰撞，是多么强大的工业制造实力。
因此，通过研究早期VT引信的电路结构和原理，我希望大家能对VT引信，特别是二战开始大规模使用的早期VT引信有更为全面、正确的理解。
这也是笔者第一次涉及这个领域，还算个业余选手，并且是第一次结合自己所学的相关知识来解释历史，若存在疏漏还请多多指教。本文会持续debug和更新。
感谢大家的阅读，我们下期再见！
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