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切斯特·尼米兹对这次作战非常重视，他非常谨慎地安排了将领的人员设置和战略部署，另外对于情报工作的开展也不遗余力。在这次战争的胜负中美国的情报小组起到了不可忽视的重要作用。
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1942年4月和5月期间，在美军截获的日军通讯情报中，有一个“AF”名称出现的频率和次数明显增多。敏锐的美国少校罗奇福特预感到这可能是一个不寻常的绝密情报。于是在他的领导下，情报小组的成员日夜绞尽脑汁苦思冥想，皇天不负苦心人，终于在堆积如山的侦抄电文中找到一份日军偷袭珍珠港时的电报，电文曾提到“AF”，并说到一架日军水上飞机需要在“AF”附近的一个小珊瑚岛上加油。因此罗奇福特大胆推断，“AF”很可能是指中途岛。
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美国海军将领斯普鲁恩斯和其他将领在一起
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从左至右分别为美国海军将领雷蒙德·A.斯普鲁恩斯、中将霍兰德·史密斯、少将亨利·L.拉森以及海军陆战队司令罗伊盖格少将。
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为了进一步证实上述这一推断的准确性和真实性，驻中途岛的美军奉命用浅显的明码拍发了一份无线电报，以此来作为诱饵。电报谎称中途岛上的淡水设备发生了故障。果然，不久后美军截获了一份日军密电，电文中说：AF可能缺少淡水。这一下日本的绝密计划暴露了，情况立时真相大白。罗奇福特小组以此为突破口，很快就破译了反映日军舰队作战计划的所有通讯。就这样，尼米兹不仅清楚掌握了日军夺取中途岛的战略企图，而且还查明了其参战兵力、数量、进攻路线和作战时间，甚至连对方各舰长的名字都了如指掌。而这一切，自信满满的日本人还蒙在鼓里。
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5月28日晨，斯普鲁恩斯海军少将率领包括“企业”号、“大黄蜂”号在内的2艘航空母舰，6艘巡洋舰和9艘驱逐舰组成的第16特混舰队从珍珠港启航开赴待机海域。两天后，弗莱彻海军中将率领“约克城”号航空母舰、2艘巡洋舰和5艘驱逐舰组成的第17特混舰队也出航了，6月2日两队人马会合。他们都明确尼米兹给斯普鲁恩斯和弗莱彻的指示：“运用最有效的战术，给敌人以最大限度的杀伤。”
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中途岛海战
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6月3日晨，阿留申群岛附近的细萱舰队开始空袭荷兰港，企图诱使美军分兵驰援阿留申。尼米兹知其伎俩未予理睬。次日，日军再次空袭荷兰港，美军仍未上当。山本在声东击西后，立即下令细萱舰队停止进攻阿留申并迅速南下，协同主力准备与美军舰队决战。
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6月4日凌晨3时左右，山本在“大和”号旗舰上向各舰队指挥官发出了“准备战斗”的电令。此时，担任主攻的是南云中将，他的航空母舰均已处在中途岛西北方向240海里的水域上。
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4时30分，南云的参谋长草野少将下达了攻击的命令。“赤城”、“加贺”、“飞龙”、“苍龙”4艘航空母舰上做好了战斗准备，36架俯冲轰炸机、36架水平轰炸机和36架“零”式战斗机开始起飞，第一攻击波机群在永友文市海军大尉的率领下，风驰电掣般地向中途岛扑去。第一攻击波飞机刚飞行完毕，第二攻击波的飞机迅速从机库提升到飞行甲板随时准备出击，攻击可能出现的美舰队。
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美国海军、SBD-3“无畏”式俯冲轰炸机对日本航母展开攻击
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SBD-3“无畏”式是第一种完全满足了作战需要的俯冲轰战机。该机装备了容量984升的自封闭油箱，为乘员提供了装甲防护，并且安装了防弹风挡。
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5时45分，霍华德·艾迪上尉驾驶从中途岛起飞的“卡塔林娜”式水上侦察机首先了发现南云舰队，并急忙向基地发出报告：“在距岛290千米以外的海上，发现敌人的航空母舰，同时有大批敌机正向本岛飞来。”不一会中途岛上鸣放警报，一切尚能飞行的飞机全部升空，其中26架“野猫”式战斗机和“水牛”式战斗机扑向日军机群，其余的轰炸机和鱼雷攻击机则飞向日军的航空母舰进攻。日军机群抵至距中途岛30海里处时，26架美军战斗机迎上前去。然而由于美机性能问题，对抗不利，仅仅进行了15分钟空中激战，就有15架被击落、7架被击伤。而日机却毫发无损，全部飞抵中途岛上空。
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日军的第一波袭击暂时胜利，以仅仅损失6架飞机的很小代价就完成了此次攻击。7时整，友永大尉率第一攻击波飞机返航，并向南云中将发出了有必要进行第二次轰炸的电报。7时10分，首批从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空，它们排成单行，扑向日航空母舰。然而在日军战斗机疯狂的截杀和日舰猛烈的炮火下，美机一架接一架坠入大海，一架跟着一架又扑上来，但却无一命中目标。7架美机如飞蛾扑火般被击落。
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中弹倾斜的“约克城”号航母
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在中途岛海战中，“约克城”号航母被两枚日本鱼雷击中，最终在中途岛外海沉没，成为了这次海战中唯一一艘被击沉的美国航母。
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7时15分，南云下令赤城号和加贺号将在甲板上已经装好鱼雷的飞机送下机库，卸下鱼雷换装对中途岛地面目标进行第二波攻击的高爆炸弹。7时30分，接到“利根”号巡洋舰派出的一架侦察机发来的电报后南云陷入了恐慌。电报说：“发现敌10艘军舰，距中途岛240海里。”南云万万没料到美舰队居然埋伏在那里，他要这架侦察机查明敌军是不是有航空母舰，同时命令暂停对鱼雷机的换弹。此时，40余架从中途岛起飞的美军俯冲轰炸机分成3个编队向日本舰队袭击的情况下，南云慌忙迎战。
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8时15分，南云终于根据侦察机传来的报告确认了美军舰队确实有航母的存在。于是，南云再度下令各舰停止装炸弹，飞机再次送回机库重新改装鱼雷，航空母舰的甲板上一片混乱，为了争取时间，卸下的炸弹，都堆放在甲板上。8时30分，空袭中途岛的第一攻击波机群返航飞抵日本舰队的上空。还有那些保护航空母舰的战斗机也需要降落加油。南云进退维谷，第二航空母舰战队司令山口海军少将向南云建议“立即命令攻击部队起飞”。第二批突击飞机换装鱼雷还没有完成，而且舰上的跑道让起飞的飞机占用，那么油箱空空的第一攻击波机群会掉进海里。南云决定把攻击时间推迟，首先收回空袭中途岛和拦截美军轰炸机的飞机，然后重新组织部队以进攻美军特混舰队。
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此时在中途岛东北海面，由斯普鲁恩斯少将和弗莱彻中将率领的第16、第17特混舰队，正像一个猎人一般全神贯注地耐心等待着猎物的到来。6月4日拂晓，弗莱彻和斯普鲁恩斯接收到了中途岛派出的“卡塔林娜”式侦察机发回的报告：发现日军航空母舰。弗莱彻命令斯普鲁恩斯赶紧向南航行，当确实发现敌方航空母舰位置时，即断然发起攻击。斯普鲁恩斯推算南云舰队在他的舰队偏西大约200海里处，根据中途岛的战况情报估算，攻击中途岛的日机大约在9时左右就能完成攻击回到航空母舰加油。斯普鲁恩斯果断地下达了作战命令。
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8时40分，第16特混舰队西面15海里处的第17特混舰队的17架“无畏”式俯冲轰炸机、12架“复仇者”式鱼雷攻击机和6架“野猫”式战斗机也飞离了“约克城”号甲板。然而，美军庞大的机群缺乏配合，编队四分五裂。由于南云转向航行，美机来到预定海域却看不见南云舰队踪影。部分飞行编队的轰炸机和鱼雷机与护航的战斗机失散了。
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