波音 B-29 “超级堡垒”飞机是一款重型四引擎轰炸机。从结构上看，它是一款全金属、自由悬臂式中单翼单翼机，配有单垂尾。
机身： 最大直径为 2.9 米，长度为 30.177 米。横截面呈圆形，采用受力蒙皮，由五个部分组成。机身采用圆形截面是为了确保最小的空气阻力以及最大的机械强度（这对于气密座舱是必不可少的）。结构为半硬壳式，平滑的受力蒙皮由挤压型材制成的隔框和纵梁组成的框架支撑。蒙皮采用硬铝板对接而成；主要使用沉头铆钉固定在框架上。普通的凸头铆钉仅安装在机枪塔区域，因为那里需要额外的强度来抵御火药燃气的影响。
机身分为五个舱段：前部气密座舱、机身中段、中部气密座舱、尾部以及机尾舱段（机尾舱段为射击员的气密座舱）。前部和中部气密座舱通过一条气密通道相连。机身中段设有由机翼中心段隔开的两个弹药舱。
气密座舱： 机身内设有三个气密座舱：前部、中部和尾部，用于容纳轰炸机机组人员。根据飞机的设备配置，机组人员由 10 至 12 人组成。标准 10 人机组包括：正驾驶（机长）、副驾驶、领航员、投弹手、随机机械师、无线电操作员以及四名机枪射手。在扩编机组中，还会增加 1 至 2 名雷达操作员。
整个机头部分由前部气密座舱占据，紧邻机头玻璃窗。机头部分采用镁合金框架支撑，呈圆顶状，顶部的座舱盖完全融入机身轮廓。这种透明机头为投弹手和飞行员提供了极佳的视野。
在最前方，紧贴玻璃窗的是投弹手座椅；其后方是飞行员座椅（略高于投弹手位置）。正驾驶位于左侧，副驾驶位于右侧；飞机采用双重控制系统，每位飞行员都配有操纵轮和踏板。在正驾驶座椅后方（左后侧）是领航员座椅，面向飞行方向；而在副驾驶座椅后方是随机机械师座椅，背向飞行方向安置。机械师座椅后方则是无线电操作员座椅，面向飞机右舷。机组人员通过前起落架舱进入前部座舱。
前部和中部座舱由一条长 33 英尺（10.06 米）、直径 34 英寸（86.36 厘米）的通道连接。该通道沿弹药舱顶部延伸，允许机组人员在两个座舱之间移动。
中部气密座舱内设有三名射击员和一名雷达操作员；该座舱配备了炮塔远程控制系统。为了配合瞄准站工作，机身安装了三个由有机玻璃和防弹玻璃制成的观测圆顶：两个位于机身两侧，一个位于机身顶部。座舱内部两侧还安装了四个卧铺，供机组人员在长途飞行中休息。机组人员在飞行前通过右舷的舱门进入该座舱。
机身的最末端是尾部气密座舱，设有尾部射击员席位；如果机组人数增至上限，可能的第十二名成员（第二雷达操作员）也会安置在这里。这个座舱是独立的——在开启气密状态下，它无法与中部座舱通联。人员需在气密化之前进入：先随中部机组人员从右舷舱门进入，然后通过沿机身底部延伸的通道爬向机尾机枪装置。
所有机组人员席位均具备防弹与防破片保护。气密座舱的使用极大地简化了机组的工作：飞行员不再受低压、严寒、穿堂风和噪音的困扰；即使在发动机运转时，大家也可以不费力地在舱内交流。舱内压力由内侧发动机的增压器维持。结果是，当飞机飞行在 30,000 英尺（9,140 米）高度时，舱内压力仍能保持在 10,000 英尺（3,050 米）高度的水平。但根据操作规程，在接近目标时应卸掉舱内压力，以防止座舱在被炮弹或子弹意外击中时发生爆炸性减压。
在关闭气密状态且飞行高度超过 10,000 英尺（3,050 米）时，必须使用氧气面罩，为此机上装有固定式制氧设备。氧气储备足够 12 人使用 6 小时。为了方便成员走动，每架飞机还配有一整套便携式氧气瓶，可供人员工作 6 至 12 分钟。必要时，这些设备可以通过机载气瓶补充压缩空气。
机翼： 为全金属结构的自由悬臂式设计，采用双主梁，形状为带圆弧翼尖的梯形。结构上由五个部分组成：中心翼段（中外翼）、两个外翼段（各带有两个发动机舱、襟翼和起落架支柱）以及两个翼尖（带有副翼）。机翼中心段内部装有燃油箱，并与机身中段对接。
B-29 的生产过程中有两种机翼中心段方案：一种是整体式结构（B-29 型）；另一种是由两个独立部分通过螺栓连接而成的组合式结构（B-29A 型）。双段式中心翼虽然更易于组装，但使翼展增加了 0.3 米，同时减小了内部油箱的容积。
机翼前缘后掠角为 7°，后缘则与机身垂直。机翼后缘沿线装备了大型开缝襟翼。襟翼从机身一直延伸到副翼位置，并采用金属蒙皮。起飞时，襟翼下放 25°；着陆时，襟翼全开，这使得庞大的 B-29 拥有与体型小得多的 B-17 相当的着陆速度——仅为 160 km/h。副翼表面包覆有织物蒙皮，并配有配平操纵片和调节片。
尾翼： 为自由悬臂式单垂尾布局，由六个独立的螺栓连接部分组成：水平安定面、垂直安定面前伸段（福基尔）、垂直安定面（垂尾）、升降舵和方向舵。整个尾翼框架均为金属材质，除舵面采用布质蒙皮外，其余部分均覆盖硬铝板蒙皮。升降舵和方向舵具备轴式空气动力补偿和重量补偿，并配有配平操纵片。停机状态下，舵面由专门的机构锁死。
机翼和尾翼的前缘均装有气动除冰系统。该系统由橡胶囊组成，通过脉冲式注入高压空气使其膨胀，从而将形成的冰层震碎并脱落。
起落架： 采用可收放前三点式设计，由两个主起落架和一个前起落架组成。前起落架在飞行中向后收起，进入机头部的轮舱；主起落架则向前收起，进入内侧发动机舱后部的空间。所有起落架支柱在同一轴上均安装有两个机轮。起落架的收放由电动机驱动，减震系统为油气式，刹车系统为液压式。机尾部分设有一个安全保护撑杆（尾撑），可向后收进机身；在放下状态下，它能防止在着陆不当（“拍尾”）时损坏后下方的球形炮塔。尾撑的收放与起落架一样，通过螺旋式电磁机械升降器完成；起落架和尾撑均备有应急放下的辅助机构。
动力装置： 搭载四台莱特-旋风（Wright Cyclone）R-3350 发动机。这是一种 18 缸星形气冷式发动机，配有减速器，起飞功率各为 2,200 马力（紧急模式下可达 2,440 马力），单台重量约 1,200 公斤。每台发动机配备一个单速驱动式离心增压器和两个分列发动机舱两侧的涡轮增压器。这些设备确保发动机在高度达到 33,000 英尺（10,060 米）时仍不损失功率。发动机的冷却通过整流罩末端的“鱼鳞片”（散热瓣）调节，由电磁机构驱动。发动机启动则采用电惯性启动机。
螺旋桨： 采用四叶自动恒速桨，具备顺桨功能。螺旋桨为金属材质，直径达 5.61 米，桨叶螺距调节范围极广，甚至支持自转模式。螺旋桨的转速控制得较低，以确保桨尖速度不会突破音速。为应对积冰问题，螺旋桨配备了液体防冰系统，通过酒精混合液冲刷桨叶。
在批量生产过程中，B-29 逐步换装了 R-3350 发动机的改进型号，虽然功率维持在 2,200 马力，但可靠性稳步提高。针对发动机起火风险，机上还配备了固定式二氧化碳灭火装置。
发动机舱容纳了动力系统，采用带受力蒙皮的半硬壳式结构；发动机支架为管状焊接结构。每个发动机舱下方都设有一个大型进气口，用于为涡轮增压系统、机油散热器及压缩空气中间冷却器提供空气。这种设计使得 B-29 无需像 B-17 那样在机翼前缘开设进气口。
燃油系统： 燃油储存在 22 个软性自封油箱中，总容量为 20,180 升；其多层箱壁确保在被击穿时能够自动密封。每台发动机都拥有独立的油箱组和供油系统。四个主油箱位于机翼两梁之间。其中两组油箱（每组分为四个隔段）位于内外侧发动机舱之间，负责为内侧的一对发动机供油。在外侧发动机舱的外翼段还设有一对油箱，各分为 7 个部分。如果某个油箱受损，燃油可以被抽吸并转移至完好的油箱中。此外，每个弹药舱内还可以挂载额外的自封副油箱（不同文献记载不一，有称两个 2,420 升油箱，也有称四组两两挂载）。在最小炸弹载荷下，该机最多可携带 30,283 升（约 8,000 加仑）燃油。
无线电与导航设备： B-29 搭载了美国陆军航空队的标准设备。用于机间、地空及机组内部通信的装置包括收发机、机内通话器、频率计和无线电滤波器。导航设备包括：无线电罗盘和信标接收机、仪表着陆系统、敌我识别器（IFF）以及安装在救生艇上的应急发射机。
B-29 和 B-29A 无线电设备中最重要的补充是 AN/APQ-13 雷达，用于扫描地面。其天线安装在机腹两个弹药舱之间，位于电介质材料制成的流线型罩内，且可以收放。该雷达专门用于远程导航以及高空盲目轰炸。
到对日战争末期，大量 B-29 额外加装了第二台 AN/APQ-4 雷达，用于测定飞机的地理坐标（这些飞机的可收放雷达天线罩尺寸更大）。而在 1950-1953 年的朝鲜战争期间，所有参战的 B-29 轰炸机均已配备双雷达并带有加大的天线罩。
自卫武装： B-29 的防御武器由机身上的四个远程控制旋转炮塔（上下各两个）以及一个尾部火力点组成。每个炮塔装备两挺 12.7 毫米机枪；部分批次的飞机在前上方炮塔安装了四挺机枪。机枪备弹量为每挺 500 发（后期增至 1,000 发）。武器瞄准为远程操作：前方炮塔由前气密座舱的投弹手控制，后方炮塔由中部的三个观测哨（顶部一个，机身后部两侧各一个）中的任意射击员控制。必要时，控制权可以灵活切换，实现全部炮塔由前舱或中舱统一控制。
除这四个炮塔外，还有由专门射击员操作的尾部火力点。根据批次不同，它有三种武装方案：早期版本配备一门 20 毫米机炮（备弹 110 发）和两挺 12.7 毫米机枪。随后取消了机炮，尾部火力点改为两挺、后期增至三挺 12.7 毫米机枪。
B-29 的火力布置非常合理，机身周围几乎没有死角。观测窗内的射击瞄准具是自动化的，能自动修正视差、风速风向及重力影响；系统根据这些参数驱动炮塔指向目标。此外，炮塔还设有射击限制器，防止误伤自家飞机。当枪管对准机翼、螺旋桨或中央观测哨等部位时，会自动抬升或下降。由于垂直尾翼太大无法绕过，当炮塔转向垂尾方向时，机枪会自动停止射击。为了记录战果，每个炮塔都配有 16 毫米摄影机，与机枪同步开启，并在停火 3 秒后关闭。
炸弹仅挂载在机身内部的两个弹药舱内（前弹舱和后弹舱，由机翼中心段隔开）。弹舱内部设有带有炸弹挂钩的垂直挂架。除了各种尺寸和重量的炸弹外，这些挂架还可以安装副油箱或货运集装箱。投弹任务由投弹手执行，他配备有“诺登”（Norden）光学瞄准具和电子投放装置。“诺登”瞄准具早在战前就已装备在 B-17 上，根据实战经验，该瞄准具进行了现代化升级（型号为 Norden-M），并且直到战争接近结束前一直处于保密状态。该设备结构复杂，能够综合考虑各种修正参数，自动计算航空炸弹的落点弹道。瞄准具与自动驾驶仪联动，炸弹会在瞄准具确定的精确瞬间自动投下。
早期批次飞机的弹舱门采用电力驱动，在飞抵目标附近时会平稳地开启。然而，缓慢开启的舱门由于气流阻力会引发逐渐增强的震动，因此随后的 B-29 开始采用气动开启机构，可在几秒钟内迅速打开舱门。不过，在机场装载炸弹时，猛然弹开的舱门可能会对站在下方的人员造成严重伤害；鉴于发生的几起此类事故，各地普遍实行了在机场内保持弹舱门处于开启状态的惯例。
B-29 轰炸机的载弹量根据飞行距离和既定任务的不同，在 8,000 到 20,000 磅（3,628 至 9,072 公斤）之间波动。但 9 吨的载弹量仅限于短距离飞行。在航程达 2,900 公里时，中空飞行的载弹量为 5,443 公斤，而高空飞行则为 2,270 公斤。当飞行距离超过 6,000 公里时，仅能携带 907 公斤炸弹。 美军的通用高爆弹系列包括：100 磅（45 公斤）、250 磅（113 公斤）、500 磅（227 公斤）、1,000 磅（454 公斤）、2,000 磅（907 公斤）和 4,000 磅（1,814 公斤）。
为了摧毁房屋多由纸木结构建成的日本城市，美国人极其广泛地使用了燃烧弹——投向日本的炸弹总数中超过三分之一都是燃烧弹。其中最小的是 2 磅（0.9 公斤）的 M52 和 4 磅（1.8 公斤）的 M50 燃烧弹，它们以 128 枚或 110 枚为一组装入集束炸弹箱中。集束炸弹在空中散开，形成密集的“小燃烧弹”群覆盖目标，这些弹药能产生数千摄氏度的高温火焰，并持续燃烧 6 到 8 分钟。稍大一些的是 6 磅（3 公斤）的 M69 燃烧弹，每 38 枚组成一箱。这类炸弹装填了由汽油、天然胶乳、烧碱和椰子油混合而成的凝固汽油，单枚炸弹形成的起火半径可达 45 米。
重型燃烧弹不采用集束形式，而是单枚独立投掷。这类炸弹包括 100 磅（45 公斤）的 M47A2 燃烧弹，其内装由汽油、天然胶乳、烧碱和椰子油组成的混合燃料；以及它的 93 磅（42 公斤）改进型 M47A1，装填的是白磷。而最沉的“打火机”是 500 磅（227 公斤）的 M76 燃烧弹，内装由石油、柴油、汽油、镁粉和硝石组成的混合物。由此引发的火灾几乎无法扑灭。
为了进一步阻碍日本方面扑灭燃烧弹造成的火灾，美国人还为机群末尾（即最后进入目标区）的 B-29 挂载了杀伤弹。这些炸弹在燃烧弹之后投下，利用爆炸产生的碎片杀伤已经开始灭火的消防队。最常用于此目的的是每 6 枚一组装入集束炸弹箱的 20 磅（9 公斤）M41 和 M26 炸弹，或是较大的 260 磅（118 公斤）M81 杀伤弹。
除了各种用途的炸弹外，B-29 还可以装载单枚重量为 1,000 或 2,000 磅（454 或 907 公斤）的海军水雷。弹舱内总共可容纳 6 到 7 枚水雷，它们在 8,000 英尺（2,400 米）的高度通过降落伞投放。
而德国人曾想用什么来对抗它呢……
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