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二战中现代喷气式飞机如何对抗螺旋桨飞机

假设,只是假设,我们要让第二次世界大战中最好的螺旋桨战斗机和目前可用的最好的现代喷气式战斗机相互对抗。

结果会是一个既定的结论吗?或者螺旋桨飞机至少有一个战斗的机会?

事实证明,答案实际上可能会让您大吃一惊。

为什么螺旋桨飞机被喷气式飞机取代?

简短的回答是他们不是,至少不完全是。螺旋桨飞机今天仍然司空见惯,尽管它的作用更加专业。

对这两种引擎之间的差异的全面讨论远远超出了本文的范围,但为了简洁起见,我们将尝试进行快速而肮脏的比较。

作为一般经验法则,喷气发动机最适合长途旅行或需要快速完成的旅行。螺旋桨驱动的飞机最适合燃料容量和运营盈利能力有限的小型或轻型飞机。另一个非官方指标是飞机的座位数。

如果低于 100 左右,飞机通常会配备涡轮螺旋桨发动机。在此之上,它可能配备了喷气发动机。

对于军用飞机和商用客机,在大多数情况下,喷气发动机几乎完全取代了基于螺旋桨的飞机。这是出于多种原因,但喷气发动机飞机的速度提高是最重要的原因之一。

与螺旋桨驱动的飞机相比,喷气发动机的另一个好处是它们能够在更高的高度运行。再加上它们的更高速度,使喷气发动机成为长途旅行的首选发动机——比如带你去度假。

与喷气发动机不同,螺旋桨驱动的飞机起飞和降落所需的跑道距离更短,并且可以处理各种跑道结构。出于这个原因,可能没有混凝土跑道的支线机场或机场可能只会处理螺旋桨驱动的飞机而不是喷气式飞机。

螺旋桨驱动的飞机在较短的飞行中也更省油,运行成本更低,保险更便宜,而且通常比喷气发动机的维护更便宜。然而,不管你信不信,喷气发动机运行起来更安静,这使得它们更适合靠近住宅区的机场。

然而,现代喷气发动机,最常见的是今天的涡扇发动机,是两种发动机类型的混合体。在涡扇发动机中,一些空气从前面进入,被压缩并与燃料混合,然后被点燃。

热废气通过核心和风扇涡轮并从喷嘴中排出,就像在涡轮喷气发动机中一样。其余进入的空气通过风扇并绕过发动机,就像空气通过螺旋桨一样。通过风扇的空气具有更高的速度,来自自由流。因此,涡扇发动机的一部分推力来自核心,一部分推力来自风扇。

所有这一切都发生在发动机外壳的内部,它产生了一个管道,空气可以通过它顺畅地流动。

前面提到的风扇是由许多充当螺旋桨的微小叶片组成的。

还有称为涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨发动机,实际上是由喷气发动机而不是活塞发动机驱动的螺旋桨,就像在更传统的飞机中一样。这些类型的发动机非常可靠和高效,也有助于弥补螺旋桨发动机和喷气发动机之间的一些显着速度差异。

因此,从某种意义上说,自 1950 年代以来,喷气发动机并没有完全取代螺旋桨发动机,而是或多或少地与更传统的同类发动机联手。

一切都非常有趣,但是在 1940 年代的螺旋桨驱动飞机和现代喷气式飞机之间的假设性死亡竞赛中,结果会是什么?除了发动机能力上的固有差异外,现代战斗机与老同胞相比还有一些明显的优势。一是他们普遍使用热寻导弹。

但是,它们对螺旋桨飞机有用吗?让我们来了解一下。

寻热导弹是如何工作的?

更准确地称为红外寻的导弹,“热寻”导弹基本上是带有被动武器制导系统的特殊火箭,依靠红外发射来瞄准和跟踪飞机或坦克等车辆。热源,如飞机的发动机,会发射大量红外线,因此更通俗地使用名称“寻热”。

这种导弹能够识别物体之间的温差,因此可以轻松检测高于环境温度的机身与其背景(如天空)之间的差异。(后来的被动空对空导弹也以紫外线辐射为目标。)利用这种温差,导弹的“寻热”部分能够瞄准并引导导弹朝向其目标。

稍后我们会稍微谈谈“热”物体和红外线之间的关联,但是很多东西都会发出红外线,包括您自己的身体、车辆发动机等。这种现象使它们从背景中脱颖而出。如果能找到一种方法来追踪这种光能,那么像导弹这样的武器就可以自我引导而无需人工控制。

“寻热”导弹是被动系统,没有可以被潜在目标轻松“跟踪”的传输装置,这使得此类武器很难被发现和禁用,直到为时已晚。这与更主动的瞄准系统(例如雷达制导武器)形成对比。

虽然现代军用飞机配备了称为导弹预警系统 (MWS) 的特殊传感器和摄像头套件,但此类系统只能真正在一定范围内以光学方式探测导弹。虽然比人眼更好,但它们并不完全有效,并且容易出现误报和漏报。

另一种间接警告潜在来袭“热寻”导弹的方法是用于检测雷达锁定的传感器。这些系统称为雷达警告接收器(RWR),可以向飞行员提供他们正在成为目标的警告,但实际上并不检测导弹本身。

“寻热”导弹是极其有效的武器系统,仅红外寻的导弹就造成了绝大多数美国飞机的损失。然而,像大多数武器系统一样,它们也不是 100% 万无一失的。

可以采用一些相当简单的对策来使它们偏离航线并保护目标飞机。例如,可以在飞机后面释放照明弹,为这些类型的导弹提供假热源以锁定和“摧毁”。

然而,只有当目标飞机的飞行员意识到他们的飞机目前正受到红外导引导弹的威胁时,这种对抗措施才有效。一些对抗系统,例如发射红外辐射场的飞机,也能够自动部署。

更现代的红外制导导弹也变得越来越复杂,以使其“更聪明”以应对这种简单的反制措施。

有趣的是,这项技术实际上已经很老了。例如,一些第一批红外设备在第二次世界大战期间进行了试验。这些早期装置是由德国工程师设计的,他们开发了基本的热寻导弹和近炸引信。

值得庆幸的是,从盟军的角度来看,战争在德国人在这项技术上取得重大突破之前就结束了。

真正的“寻热”导弹直到 1950 年代才成为可能,当时火箭技术、锥形扫描和微型真空管变得足够复杂,可以集成到导弹平台上。这些早期的导弹——虽然在当时的技术上令人印象深刻——但并不可靠,而且在 1960 年代成功率很低。

该技术在 1970 年代和 1980 年代经历了重大发展,使其成为高效的武器系统。更现代的单位非常复杂,有能力攻击视野(FOV) 外的目标、从后面过来,甚至可以挑选地面上的车辆。

在现代导弹中,红外传感器包往往位于导弹的尖端或头部,被称为“导引头”。

大多数“寻热导弹”有多种类型,具体取决于它们对红外光的敏感性。早期的,现在称为单色导引头,对 3 到 5 微米范围内的红外光最为敏感。这些类型的导弹被证明是相对无效的,因为它们通常只有在导弹可以“看到”敌机的喷气尾气时才有效。

这导致了新导弹的开发,称为“全方位”,对排气以及更长的 8 到 13 微米范围敏感。作为参考,人体会发出大约 12 微米范围的红外光。

这种导弹还能够锁定飞机上较暗的热源,例如机身。它们还往往需要冷却,以赋予它们高度的灵敏度,从而使它们能够锁定来自飞行中飞机侧面和前面的较低电平信号。现代“全方位”导弹,例如著名的AIM-9M Sidewinder和 Stinger,使用氩气等压缩气体来冷却其传感器,以便在更远的距离和全方位锁定目标。

类似的技术也用于半自动瞄准线指挥 (SACLOS)技术。在这种设置中,红外导引头安装在导弹发射器上的可训练平台上,该平台由人类用户操作。

用户将手动将武器指向目标的大致方向。导引头将不会跟踪目标,而是跟踪导弹本身,然后由照明弹引导以提供干净的信号。其他一些系统将使用无线电信号引导导弹朝向用户瞄准望远镜中的目标。

这些类型的武器通常用于反坦克导弹和地对空导弹,以及其他应用。

为什么“热”的东西会发出红外线?

正如承诺的那样,我们现在将讨论为什么“热”的东西会发出红外辐射。在我们开始之前,花点时间考虑一下太阳。

太阳以电磁波谱的不同波长向地球传输能量。所有形式的电磁辐射都会传输能量,而热量只是将动能从一种介质或物体转移到另一种介质或物体。

大部分有害的紫外线辐射被地球臭氧层吸收,但可见光和短波红外光可以穿过大部分大气层。这种能量到达地球表面并被吸收。

地球表面将长波红外能量(热量)发射回大气层。其中一些逃逸到太空,但很大一部分被温室气体或云吸收。反过来,气体或云会将热量散发回地表或大气中。这种发射的辐射增加了太阳光引起的表面变暖。

对于地球上的所有其他热源,大部分动能转移发生在电磁波谱的红外部分。这样做的原因有点超出了本文的范围,但与黑体辐射有关。

所有温度高于绝对零 (0 K, -273.15oC) 的物体都会以电磁辐射的形式发射能量。根据基尔霍夫辐射定律,一个完美的黑体应该是一直吸收所有频率的所有光的黑体(因此被称为完美黑体)。这样的物体还将在所有波长下以最大效率发光。它是一个假设的物体,它是所有波长的“完美”吸收体和“完美”辐射体。

然而,这是一个纯粹的理论对象。现实生活中的大多数东西都介于完美的黑体和白体(一种不吸收任何波长电磁辐射的假设物体)之间。

如果你愿意,所有有质量的东西都是由不断运动或振动的原子组成的。物体越热,这种情况发生得越剧烈和频繁。这种振动会释放电磁波,对于我们能看到的大多数物体来说,电磁波都在红外光谱中。

例如,篝火会发出不同波长的光,但绝大多数“热量”来自它发出的红外光。

事实上,如果你在你自己和只允许红外线通过的篝火之间放置一个特殊的过滤器,你会觉得它很热。这种光对您的眼睛是不可见的,但可以使用特殊的相机检测到,根据信息的显示方式,可以使物体看起来像是在发光。

为了制作红外图像,我们可以使用特殊的相机和胶片来检测温度差异,然后为它们分配不同的亮度或假色。这提供了我们的眼睛可以解释的图像。

通常,使用红外热像仪时,热的东西看起来是亮黄色和橙色。较冷的物品,例如冰块,呈紫色或蓝色。

大多数物体在红外光谱中辐射大部分热量,因为它们没有足够的能量(热量)以更高的频率辐射。任何具有温度的物体都会或多或少地释放红外线,包括我们之前提到的您的身体或正在运行的引擎。

令人难以置信的是,即使是我们认为非常冷的物体,例如冰块,也会发出一些红外光。这是因为,虽然对我们来说“冷”,但冰块内的原子仍在振动并释放红外辐射。

任何没有足够热能辐射可见光的物体仍会发射红外线能量。

以热木炭为例。这可能不会发出太多可见光,但它确实会发出我们感觉为热量的红外线辐射。事实上,物体越暖,它发出的红外线就越多。

因此,红外辐射是一种极好的间接方式,可以从远处记录发射物体的相对温度。

一些动物甚至还进化出了自己的天然红外探测器。以 pit viper 家族为例。