Những giai đoạn đầu

Tiếp theo sau sự chấp thuận của Không lực Lục quân Hoa Kỳ, Northrop bắt đầu công việc thiết kế toàn diện chiếc máy bay, trở thành thiết kế đầu tiên chuyên biệt cho một kiểu máy bay tiêm kích bay đêm. Kết quả là một chiếc máy bay tiêm kích lớn nhất và có tính hủy diệt cao nhất được Mỹ sử dụng trong chiến tranh.

Đề nghị ban đầu của Jack Northrop là một kiểu thân máy bay dài giữa hai cụm động cơ kéo dài ra phía sau các cánh đuôi. Nó được trang bị các động cơ Pratt & Whitney Double Wasp R2800-10 18-xy lanh bố trí hình tròn, tạo ra 2.000 mã lực (1,5 MW) mỗi động cơ. Thân máy bay chở đội bay ba người, radar và hai tháp súng mỗi cái mang bốn súng máy. Các khẩu súng là kiểu M2 Browning 12,7 mm (0,50 inch) được gắn nòng kiểu "máy bay" dài 36 in có vỏ bọc đục lỗ. Các tháp súng được bố trí trước mũi và phía sau thân. Nó sử dụng bộ càng đáp ba bánh và các cánh nắp suốt chiều dài thu vào được, hay gọi là "cánh nắp Zap" (Zap flap), đặt tên theo kỹ sư của Northrop Edward Zap.

Chiếc máy bay khá to đúng như Northrop đã dự đoán. Trong khi đã có những chiếc máy bay ném bom nhiều động cơ to và nặng hơn, một kích thước chiều dài lên đến 14 m (45 ft 6 in), sải cánh 20 m (66 ft), và trọng lượng toàn tải lên đến 22.600 lb chưa từng được nghe đến cho một chiếc máy bay tiêm kích, làm nhiều người khó chấp nhận rằng chiếc P-61 là một máy bay chiến đấu khả thi.

Những thay đổi trong kế hoạch

Một số đặc điểm thiết kế thay thế được khảo sát trước khi quyết định. Trong số đó là chuyển đổi sang kiểu cánh đuôi đứng duy nhất và chuyển đổi các tháp súng mũi và đuôi thành các tháp súng trên và dưới thân đồng thời bổ sung thêm xạ thủ thứ hai.

Cuối tháng 11 năm 1940, Jack Northrop quay trở lại một đội bay chỉ gồm ba thành viên và kiểu cánh đuôi đứng kép. Để đáp ứng yêu cầu của Không lực phải có hỏa lực mạnh hơn, các nhà thiết kế loại bỏ tháp súng dưới bụng và gắn bốn khẩu pháo Hispano M2 20 mm trên cánh. Khi việc thiết kế tiến triển, các khẩu pháo sau đó được bố trí lại dưới bụng máy bay. Do vậy, chiếc P-61 trở thành một trong số ít máy bay tiêm kích do Mỹ thiết kế được trang bị pháo 20 mm tiêu chuẩn ngay khi xuất xưởng của Thế Chiến II. Những chiếc khác là P-38 Lightning, F4U-1C (một tiểu biến thể được sản xuất hạn chế của chiếc Corsair), và máy bay ném bom bổ nhào A-36 Apache (một phiên bản ban đầu của chiếc máy bay tiêm kích P-51 Mustang). Trong khi một số chiếc F6F và một số máy bay P-39 tái sở hữu từ chương trình Cho thuê-Cho mượn Anh Quốc (đặt tên lại là P-400) cũng được trang bị pháo 20 mm, đó không phải là thiết bị tiêu chuẩn.

Bản đặc tính 8A của Northrop được chính thức đề nghị lên các quan chức Không lực tại Wright Field vào ngày 5 tháng 12 năm 1940. Tiếp theo sau một số thay đổi nhỏ, bản đặc tính NS-8A của Northrop đáp ứng mọi yêu cầu của Không lực, và nó được chính thức chấp nhận vào ngày 17 tháng 12. Hợp đồng chế tạo hai chiếc nguyên mẫu và hai mô hình tỉ lệ sẽ được dùng trong thử nghiệm hầm gió, chi phí không vượt quá 1.367.000 Đô la Mỹ, được thỏa thuận vào ngày 10 tháng 1 năm 1941. Bản đặc tính 8A của Northrop trở thành thiết kế mang tên XP-61.

Đặc tính

Chiếc P-61 có một đội bay gồm ba người: phi công, xạ thủ, và nhân viên điều khiển radar. Nó được trang bị bốn khẩu pháo Hispano M2 20 mm bắn ra phía trước gắn bên dưới thân, và bốn súng máy M2 Browning 12,7 mm (0,50 inch) dàn hàng ngang với hai khẩu ở giữa hơi chếch lên trên trong một tháp súng ngắm từ xa gắn trên lưng máy bay. Tháp súng được vận hành bằng một máy tính điều khiển hỏa lực General Electric GE2CFR12A3 với con quay hồi chuyển, và có thể được ngắm bởi xạ thủ hay sĩ quan điều khiển radar, cả hai đều được trang bị bộ điều khiển ngắm và ống ngắm chuẩn trực con quay gắn vào các ghế xoay của họ. Hai động cơ Pratt & Whitney R2800-25S Double Wasp bố trí hình tròn được gắn ở vị trí khoảng một-phần sáu chiều dài sải cánh tính từ gốc cánh. Nó được trang bị một bộ siêu tăng áp cơ khí hai tầng hai tốc độ. Trong một nỗ lực nhằm tiết kiệm chỗ và trọng lượng, người ta đã không trang bị bộ turbo tăng áp, cho dù nó được dự đoán sẽ làm tăng tốc độ tối đa lên thêm 80 km/h (50 mph) và trần bay thêm khoảng 3.000 m (10.000 ft).

Khoang chứa bộ càng đáp chính đặt ngay bên dưới mỗi thân bên ngay sát sau động cơ. Hai càng đáp chính đặt lệch đáng kể ra phía ngoài, và xếp về phía đuôi máy bay, với càng chéo nhún (oleo scissor) hướng ra trước. Các bánh đáp chính gắn phía trong càng chính càng chéo nhún. Nắp khoang bộ càng đáp chính gồm hai tấm được chia đều theo chiều dọc.

Mỗi nắp động cơ và thân bên kéo dài ra phía sau thành thân đuôi rồi kết thúc hướng lên trên thành những cánh đuôi đứng lớn và bánh lái hướng đi theo, mỗi cái có hình dạng tam giác vuông góc bo tròn. Cạnh trước của mỗi cánh đuôi đứng được vuốt phẳng từ bề mặt của thân đuôi hướng lên trên, chéo về sau một góc 37°. Cánh ổn định ngang kéo dài giữa hai mặt trong của các cánh đuôi đứng, và rộng khoảng ba-phần-tư so với chiều rộng cánh ở tại gốc, tính luôn cả bánh lái độ cao. Bánh lái độ cao mở rộng khoảng một-phần-ba chiều rộng của cánh ổn định ngang, và khi nhìn từ bên trên, nó vuốt một góc khoảng 15° vào bên trong ở cả hai góc từ mép trước đến mép sau, tạo cho bánh lái độ cao có dạng một hình thang rộng và ngắn. Cánh ổn định ngang và bánh lái độ cao có một mặt cắt kiểu cánh mỏng.

Động cơ và thân động cơ được bố trí bên ngoài gốc cánh, và cánh có một khoảng cánh "vai" ngắn có góc nhị diện bốn độ, và được tiếp nối bởi phần còn lại của cánh có góc nhị diện hai độ. Mép trước cánh thẳng và vuông góc với trục thân máy bay. Mép sau cánh phẳng và song song với mép trước ở phần vai, sau đó vuốt thon 15° ra phía ngoài. Lỗ hút gió hút lên trên của bộ chế hòa khí được bố trí trên mép trước cánh nơi ánh vai và phần gốc của cánh ngoài, cách động cơ vài inch. Chúng có hình dáng rất giống như trên chiếc F4U Corsair, những hình chữ nhật ngang mỏng cùng hai đầu tròn bán nguyệt, với nhiều cánh đứng bên trong để định hướng dòng không khí.

Thân chính (gondola) đặt ngay giữa trục máy bay. Nó có chiều dài, tính từ đầu mũi máy bay đến hết chóp đuôi bằng kính Plexiglas, khoảng năm phần sáu chiều dài một bên cánh (tính từ gốc cánh ra đầu chót cánh). Mũi máy bay chứa một dạng phát triển của kiểu radar SCR-268 Signal Corps, kiểu SCR-720A của công ty Western Electric. Ngay phía sau radar là khoang dành cho đội bay phía trước, gồm phi công và xạ thủ phía sau ngồi cao hơn khoảng sáu inch. Nóc buồng lái kiểu "nhà kính" gồm nhiều khung chia làm hai bậc, một của phi công và bậc thứ hai phía trên và đàng sau dành cho xạ thủ. Phối hợp với mặt trên gần như phẳng của phần trước mũi máy bay, nóc buồng lái hai tầng tạo cho mũi máy bay một kiểu dáng đặc trưng ba tầng rộng và nông. Nóc buồng lái trước của kiểu XP-61 là những đoạn bằng kính Plexiglas tiếp giáp, cong liền, hướng tới phía trước phi công và xạ thủ. Phía trên và bên hông được đặt trong những khung.

Bên dưới khoang dành cho đội bay phía trước là khoang dành cho bánh đáp mũi, mà qua đó phi công và xạ thủ sẽ ra vào máy bay. Càng đáp trước xếp ra phía sau, dựa lên một nắp cong sẽ đóng lại khi bay tạo thành một phần của sàn buồng lái; càng đáp sẽ không có đủ chỗ để thu lại khi mở ra. Càng chéo nhún (oleo scissor) đặt hướng ra phía trước. Bánh đáp mũi được đặt ngay giữa trục máy bay, với thanh chống phuộc lệch sang trái máy bay. Đường kính của bánh đáp mũi có kích thước khoảng ba phần tư so với bánh đáp chính. Nắp bánh đáp mũi gồm hai tấm chia đề theo chiều dọc và được gắn ở cạnh ngoài.

Phần giữa của thân chính chứa xà dọc của cánh máy bay, thùng nhiên liệu chính, ống dẫn nhiên liệu và các cơ phận điều khiển, các cáp vận hành bề mặt điều khiển máy bay, cơ phận điều khiển động cơ và cánh quạt, và các thiết bị radio liên lạc/IFF (Identification Friend or Foe: nhận biết bạn-thù); nhưng nó bị chiếm chỗ phần lớn bởi vòng gắn tháp súng nóc, các cơ phận xoay và nâng tháp súng, dự trữ đạn cho bốn khẩu súng máy Browning M2 của tháp súng, máy tính kiểm soát hỏa lực GE2CFR12A3 sử dụng con quay hồi chuyển, và các kết nối tới các cột điều khiển của xạ thủ ở phía trước và sĩ quan điều khiển radar ở phía sau.

Vị trí của sĩ quan điều khiển radar ở phía cuối thân giữa. Anh ta sẽ điều khiển bộ radar SRC-720 và quan sát các màn hình của nó trong một khoang riêng biệt phía sau, nơi anh ta ra vào bằng một cửa sập nhỏ có trang bị thang bên dưới máy bay. Ngoài các hệ thống radar, anh ta còn có thiết bị đàm thoại nội bộ và radio liên lạc, cũng như thiết bị ngắm và điều khiển từ xa tháp súng lưng. Nóc khoang này nối tiếp hình dáng phía sau thân máy bay, phủ kính Plexiglas.

Sự phát triển kiểu XP-61

Vào tháng 3 năm 1941, Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Lục quân/Hải quân quyết định tiêu chuẩn hóa việc sử dụng bộ chế hòa khí kiểu hút gió lên trên trong tất cả các binh chủng quân đội Hoa Kỳ. Chiếc XP-61, vốn được thiết kế với bộ chế hòa khí kiểu hút gió xuống dưới, buộc phải thực hiện trong thời hạn ước lượng tối thiểu là hai tháng việc tái thiết kế nắp động cơ phù hợp với quy định này. Ủy ban Tiêu chuẩn sau đó đã đảo ngược quyết định về tiêu chuẩn hóa bộ chế hòa khí (chương trình XP-61 dường như ít bị ảnh hưởng bởi quyết định này), ngăn ngừa một sự thụt lùi trong việc phát triển chiếc XP-61.

Quan chức của Không lực Mỹ đã đến Northrop vào ngày 2 tháng 4 năm 1941 để khảo sát mô hình của chiếc XP-61. Họ đã đề nghị nhiều thay đổi trong cuộc khảo sát này. Nổi bật nhất, bốn khẩu pháo Hispano M2 20 mm được bố trí lại từ phía ngoài cánh vào bên dưới bụng máy bay, gắn sát vào nhau ngay phía sau khoang bánh đáp mũi, giúp loại bỏ được nhược điểm cố hữu của phương pháp "vùng hội tụ".

Hội tụ là kỹ thuật cần đến khi trang bị súng trên cánh. Đó là điểm hay các điểm trong một tầm bắn hay một độ nâng mà các khẩu súng sẽ được hiệu chỉnh đường đạn chéo qua tâm của máy bay, ngăn ngừa trường hợp sẽ có một "vùng an toàn" phía trước máy bay mà không đầu đạn nào tiếp xúc nếu như các khẩu súng trên cánh chỉ bắn thẳng về phía trước. Những đầu đạn bắn về một mục tiêu bên ngoài điểm hội tụ sẽ chéo nhau trước khi đến được mục tiêu và bị trượt rất xa; còn các đầu đạn bắn về mục tiêu ở gần hơn điểm hội tụ sẽ trượt ra hai bên hay không gây tổn hại tập trung ở một điểm, làm giảm thiểu những tổn hại có thể gây ra. Trong thực hành, cả hai trường hợp trên làm giới hạn tầm bắn hiệu quả của khẩu pháo trong một vùng nhỏ ở hai phía của một khoảng cách định sẵn, và tạo ra thêm những thử thách khi tính toán sự chệch hướng của một mục tiêu di động. Không có sự hội tụ, ngắm bắn tỏ ra dễ dàng và nhanh hơn, và các khẩu pháo được bố trí sát nhau tạo ra một luồng đầu 20 mm đạn dày đặc. Việc tháo dỡ các khẩu súng và hộp đạn khỏi cánh cũng giúp tạo dáng cánh suôn hơn và gia tăng trữ lượng nhiên liệu bên trong từ 540 lên 646 gallon.

Các thay đổi khác bao gồm bố trí chỗ cho việc mang theo các thùng nhiên liệu phụ vứt được, bộ hãm thanh/che tia lửa của ống xả động cơ, và sắp xếp lại các thiết bị radio. Cho dù mọi sự thay đổi này đề vì mục đích làm tăng tính năng của máy bay, đặc biệt là việc bố trí lại các khẩu pháo, nó lại làm tốn mất hơn một tháng để thiết kế lại, và chiếc XP-61 đã bị chậm trễ hơn so với kế hoạch.

Đến giữa năm 1941, tháp súng lưng cuối cùng tỏ ra quá khó khăn để được trang bị trên chiếc máy bay, và nó được thay đổi bằng kiểu tháp súng vòng của hãng General Electric gắn trên đế giống như kiểu được trang bị cho các tháp súng phía trên của B-17, B-24, B-25, A-20 và các kiểu máy bay ném bom khác. Sau cải tiến này, bản thân tháp súng không có sẵn, vì những chiếc máy bay đang hoạt động, trong trường hợp này là chiếc B-29, đang được sản xuất hằng loạt và đòi hỏi cao các thành phần này. Để thử nghiệm bay, các kỹ sư phải sử dụng tháp súng giả.

Đến tháng 2 năm 1942, hãng thầu phụ Curtiss đã thông báo cho Northrop rằng kiểu cánh quạt bốn cánh tự động C5424-A10 mà Northrop đã lên kế hoạch sử dụng cho chiếc XP-61 đã không thể sẵn sàng cho chiếc máy bay nguyên mẫu để bay chuyến bay đầu tiên. Kiểu cánh quạt Hamilton Standard được sử dụng để thay thế cho kiểu Curtiss cho đến khi kiểu cánh quạt theo kế hoạch được sẵn sàng.

Trọng lượng của chiếc XP-61 đã gia tăng trong quá trình cấu trúc chiếc nguyên mẫu, trọng lượng không tải lên đến 22.392 lb và trọng lượng cất cánh tối đa là 29.673 lb. Động cơ là kiểu R-2900-25S Double Wasp bố trí hình tròn, quay một bộ cánh quạt bốn cánh Curtiss C5425-A10 đường kính 12 ft 2 in., cả hai đều quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ phía trước. Thiết bị điện tử bao gồm hai radio chỉ huy SCR-522A và ba bộ radio SCR-695A, AN/APG-1, và AN/APG-2. Hệ thống kiểm soát hỏa lực cho tháp súng là kiểu tương tự như được trang bị cho chiếc B-29, kiểu General Electric GE2CFR12A3.

Radar SCR-720

Phiên bản sản xuất của kiểu radar SCR-720A gắn bộ thu quét và phát sóng radio trước mũi máy bay; ở chế độ đánh chặn trên không, nó có tầm xa gần năm dặm. Bộ này cũng có chức năng như một thiết bị định vị trên không, hỗ trợ hoa tiêu dẫn đường, hay phối hợp với các bộ thu phát nhận biết bạn-thù. Sĩ quan điều khiển radar của chiếc XP-61 phát hiện mục tiêu trên ống ngắm màn hình và lái thiết bị để theo dõi, định vị và hướng dẫn cho phi công qua khẩu lệnh. Khi đến đúng tầm, phi công dùng một ống ngắm màn hình nhỏ hơn tích hợp trên bảng điều khiển chính để theo dõi và tiến đến mục tiêu.

Tháp súng điều khiển từ xa

Tháp súng điều khiển từ xa gắn trên sống lưng chiếc XP-61 có thể ngắm và bắn được bởi tất cả thành viên của đội bay, hay được khóa lại để hướng ra trước để phi công bắn cùng các khẩu pháo 20 mm. Sĩ quan điều khiển radar có thể xoay tháp súng hướng ra phía sau để đối phó các mục tiêu đàng sau máy bay. Có khả năng xoay tròn 360° và nâng 90°, tháp pháo được hình dung có thể đối phó mọi mục tiêu trong cả bán cầu bên trên chiếc XP-61.