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首架 B…17D 在 1941 年 2 月 3 日首飞。B…17D 在 1941 年 2 月到 4 月间交付给 USAAC，序列号从 40…4059 到 40…3100。派驻海外的单位优先获得了这些新装备，大多数 B…17D 都部署在夏威夷和菲律宾。先前的 B…17C 稍后都升级成 B…17D 标准并且型号也改为 B…17D。
从 1941 年 3 月开始，B…17 漆上橄榄绿和灰色的伪装色，到珍珠港事件爆发前，所有的 B…17C 和 D 型都披上了战时涂装。
B…17D 性能规格表
发动机：4 具赖特 GR…1820…65（G…205A）“旋风”星型发动机，起飞功率 1，200 马力，高度 7，620 米时 1，000 马力。
性能：最大时速 512 公里（7，620 米）。实用升限 11，278 米。爬升至 3，048 米高度耗时 7 分 30 秒。最大航程 3，862 公里（载弹 1，814 千克）/5，471 公里（空载）。
重量：空重 14，045 千克，正常起飞重量 17，835 千克。
尺寸：翼展 31。63 米，全长 20。69 米，全高 4。57 米，翼面积 131。92 平方米。
军械：6 挺 12。7 毫米机枪，机背、机腹机枪支架各两挺，腰部两侧机枪支架各装一挺；一挺 7。62 毫米机枪，可安装于机身前部任一球形机枪座。内部弹舱最多可挂载 2，177 千克炸弹。
B…17E
B…17E 是飞行堡垒家族中第一个开始大量生产的型号。B…17E 是根据早期欧洲空战的经验教训进行改进的产物，从 B…17E 开始，飞行堡垒开始真正成长为令人生畏的轰炸机。
在许多文献中提及 B…17E 的产生，就会说是根据汲取了 1942 年的太平洋战场使用 B…17C/D 对日作战或者英国空军在 1941 年夏使用堡垒I（B…17C）的经验，但这两种观点都是错误的，USAAC 早在 1940 年 8 月 30 日就开始订购B…17E，并且第一架原型机在 1941 年 9 月 5 日进行了首飞。
早期飞行堡垒的（主要是 B…17C/D）乘员都知道在飞机的正后方存在严重的火力盲区，如果敌机从正后方进入攻击，B…17 将不可能做出反击。USAAC 的飞行员被教导在发生此情况时立即作来蛇形机动，使左右腰部炮手可以向敌机射击。但是在 1943…1944 年间对德轰炸所必需采取的密集编队中，显然无法作这样的机动。
为了寻求一个更好的解决方案，波音重新设计了 B…17E 的后机身，引入了尾炮塔，内置两挺 12。7 毫米机枪。为了容纳尾炮塔，B…17E 的机身比 D 型长了 1。8 米。
驾驶舱风挡后顶部增加了两片天窗，且后面的气泡观察窗被一个本迪克斯（Bendix）电动炮塔所取代，内置两挺 12。7 毫米机枪，这个炮塔通常由机械师操纵。腰部的椭圆形机枪窗口被一个矩形移动舷窗所取代，射击时需要移开舷窗玻璃。
另一个遥控动力炮塔取代了 B…17D 腹部的金属“浴缸”，通过后机身下方气泡观察窗内的周视瞄准镜进行遥控。
为了在投弹时获得更好的稳定性，增高了垂尾，并在前面还设置了长长的背鳍，另外还大幅增加垂尾的面积。在摈弃了早期的“鲨鱼鳍”垂尾后，飞行堡垒典型的垂尾式样从此出现，外观上看也不再“头重脚轻”了。
首架 B…17E 在 1941 年 9 月 5 日首飞后，波音的生产线立即转产 B…17E，以尽快交付作战单位。
此时美国正在急速扩充军力备战，USAAC 扩编成了陆军航空军（USAAF），波音一家公司 B…17 的产能将远远满足不了需求，于是 USAAF 鼓励其他飞机制造企业如洛克希德威加分部（Vega division of Lockheed）、道格拉斯参与 B…17 的生产。取波音、洛克希德威加分部和道格拉斯的前三个字母，这个规模庞大的生产联盟被人们调侃为“B。V。D。”，正好与一个美国家喻户晓的内衣品牌相同。波音除了在西雅图的主工厂生产 B…17E 外，在堪萨斯州的威奇塔（Wichita）工厂也开始生产；道格拉斯为了生产 B…17E 在加州长滩（Long Beach）新建了一个工厂，但等到工厂建成，B…17 已经进化到 F 型了。在经历了诸多准备工作后，洛克希德和道格拉斯实际上没有生产过 B…17E，B…17F 才是三个公司共同生产的第一个型号。
1941 年 11 月 B…17E 首先装备了第7轰炸机大队，到 1941 年 11 月 30 日，波音已经交付了 42 架 B…17E。在珍珠港被袭时，刚好有 12 架从西海岸飞往菲律宾的 B…17E 转场珍珠港。
因为由于重量的增加和凸出炮塔所增加的阻力导致 B…17E 的飞行速度比 B…17D 略慢，但是防御能力大大增强。
由于机腹下方遥控炮塔的实用性不佳，所以从第 113 架 B…17E 开始，本迪克斯的遥控炮塔被斯佩里的球形炮塔所取代。球形炮塔内部可供一个炮手蜷缩而坐，炮手通过左眼前方的瞄准具瞄准目标，使用操纵杆和脚踏板来控制炮塔的旋转俯仰。由于炮塔内部的空间非常狭小，规定腹部炮塔的炮手必须是小个子。
炮手通过炮塔背后的舱门出入，这也是发生故障时的紧急逃生口。炮塔转到面朝下的位置，舱门可以从飞机内部打开时，炮手可以从飞机内进入炮塔；炮塔转成水平位置，舱门完全露出机身外手，炮手也可以从地面进入炮塔。但是炮手只要从地面进入炮塔后，这就意味着在起飞过程中他只能呆在里面，飞机在地面时炮塔的离地间隙只有 38。1 厘米，是不可能将炮塔转成朝下位置的。在离地仅 38。1 厘米的地方体验起飞或降落的感觉绝对不美妙的，并且一旦起落架出故障后果不堪设想，所以大多数的炮手都选择在飞机升空后从机身内部进入炮塔。
通常情况下 B…17E 的机组编制为 10 名：正副飞行员、投弹手、导航员、机械师、无线电报员、尾炮手、机腹炮手、两个腰部炮手。机鼻位置的机枪可由投弹手或者导航员操作，当然是要在他们空的时候，背部的炮塔由机械师负责。
由于机身两侧的机枪窗口大多数时间是敞开的，所以高空飞行时这个区域会变得非常寒冷，尤其是在冬天，所以给后部炮手都配备电热飞行服。也许全机最冷的地方是尾炮手的位置，螺旋桨的旋转气流在此处交汇。
乘员可以从三个入口进入 B…17E——一个位于驾驶舱左下方，垂尾右前方机身处是第二个，这是最主要的舱门，位置低容易接近，右升降舵下方是尾炮手的紧急逃生舱门。在许多电影中乘员是通过驾驶舱下方的舱门翻进飞机的，但这只是好莱坞式的表演，由于乘员穿着沉重的飞行服和降落伞，他们通常选择体面地从后机身的主舱门进入。
今天只有几架 B…17E 幸存下来，其中之一是 41…2595。这架飞机在 1944 年被改成运输机，型号改为 XC…108A。战后这架飞机被拖到缅因州道尔（Dow）机场废物堆积场拆解遗弃多年。1985 年，一个古董飞机迷发现了 41…2595 的部件和残片并运到伊利诺伊州高尔特（Galt）航空站准备进行组装和修复。
另一架 B…17E 是 41…2446“沼泽幽灵”，这架飞机在 1942 年 2 月迫降在沼泽之中而被遗弃于巴布亚新几内亚（Papua New Guinea）。实际上损坏不严重，一些美国机构已经试图将其捞出修复。
B…17E 41…9101 和 41…9105 在 1942 年 7 月由 6 架 P…38F 护送从格陵兰跨越大西洋飞向英国时遇到恶劣的气候，所有飞机都不得不在格陵兰偏远冰盖上迫降。机组人员全部被援救，但飞机必须被抛弃。1987 年查明这些飞机埋在雪层下 79 米，人们后来挖出一架 P…38F 修复后重返蓝天。
B…17E 41…9210 在战争期间被当作测试机使用，战后被作为剩余物资流入民间市场。经过在美国和加拿大几次转手，最后进入玻利维亚航空公司作为货机。1976 年这架飞机在一次起飞事故中损坏，就作为“器官捐献者”维持航空公司其余 B…17 的飞行。这架飞机被遗弃在拉巴斯（La Paz），1990 年被发现后运回美国进行修复，现成为唯一能飞的 B…17E。
B…17E 性能规格表
发动机：4 具赖特 R…1820…65“旋风”星型发动机，起飞功率 1，200 马力，高度 7，620 米时 1，000 马力。
性能：最大时速 512 公里（7，620 米），巡航时速 314…375 公里，着陆时速 113 公里。实用升限 11，156 米。初始爬升率 436 米/分，爬升至 1，424 米耗时 7 分。最大航程 3，218 公里（载弹 1，814 千克）/5，471 公里（空载）。
重量：空重 14，674 千克，正常起飞重量 18，262 千克，最大起飞重量 24，041 千克。
燃料：正常燃料容量 9，425 升，携带了额外油箱后总燃料容量 13，671 升。
尺寸：翼展 31。63 米，全长 22。49 米，全高 5。84 米，翼面积 131。92 平方米。
军械：一挺 7。62 毫米机枪，可安装于机身前部任一球形机枪座。机背一座斯佩里 Model 645473E 动力炮塔，内置两挺 12。7 毫米白朗宁机枪，每挺带弹 500 发。机腹一座斯佩里 Model 654849…J 动力炮塔，内置两挺 12。7 毫米白朗宁机枪，每挺带弹 500 发。腰部两侧 12。7 毫米白朗宁机枪各一挺，每挺带弹 400 发。尾部两挺 12。7 毫米白朗宁机枪，每挺带弹 500 发。内部弹舱最多可挂载 26 枚 45 千克（100 磅）炸弹，或 16 枚 136 千克（300 磅）炸弹，或 12 枚 227 千克（500 磅）炸弹，或 8 枚4 54 千克（1，000 磅）炸弹，或 4 枚 907 千克（2，000 磅）炸弹。
太平洋战场的 B…17
1941 年 12 月初珍珠港事件之前，USAAC 拥有 13 个重型轰炸机大队，但其中大部分轰炸机数量低于标准编制 32 架，并且许多大队还装备设计过时的道格拉斯 B…18。USAAC 手头的 B…17 只有 150 架，大部分是小垂尾的 B…17C/D，仅有很少的 B…17E。
由于战争阴云密布，大多数飞行堡垒都派驻海外。驻扎在巴拿马运河区（Canal Zone）的第 6 轰炸机大队已有 8 架 B…17B，在 1941 年 12 月初接收了 8 架崭新的 B…17E。驻扎在纽芬兰的第 42 侦察中队装备了 6 架 B…17B，驻扎在犹他州盐湖城（Salt Lake City）的第 7 轰炸机大队拥有满编制的 35 架新型 B…17E。部署在菲律宾的第 19 轰炸机大队有 6 架 B…17C 和 29 架 B…17D，第 19 大队的第 14 中队在 1941 年 9 月横跨太平洋飞抵菲律宾克拉克（Clark）机场，该大队的另外两个中队在 10 月飞抵菲律宾。部署在夏威夷希凯姆（Hickam）机场的第 5 轰炸机大队有 12 架 B…17D。USAAC 其余的重型轰炸机大队总共装备 12 架 YB…17、22 架 B…17B 和 5 架 B…17C。
USAAC 的 B…17 在不经意中卷入实战。12 月 7 日，第 38 侦察中队的 4 架 B…17C 和两架新型 B…17E 从加州汉密尔顿（Hamilton）机场起飞前往菲律宾，中途停靠在珍珠港，这些飞机没有武装。由于这次转场，使珍珠港的雷达员将日本进攻机群误认为 B…17，而没有报警。B…17 编队在第一攻击波结