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终于，从“大黄蜂”号航母起飞的美军鱼雷攻击机于9时25分发现了南云舰队。然而他们的燃油即将耗尽，而且没有战斗机护航。在自杀式攻击中，被日“零”式战斗机和高射炮火纷纷击落，30名飞行员除1人生还外全部遇难。由“企业”号起飞的14架“复仇者”鱼雷攻击机和由“约克城”号起飞的12架“复仇者”鱼雷攻击机在攻击日“苍龙”号和“飞龙”号航空母舰的战斗中也遭到了重创，损失了20架鱼雷机，更可怕的是美机所投鱼雷竟无一命中日航空母舰。这时南云已完成了出击准备：102架飞机组成的日军舰载机攻击队排列就绪，整装待发。美航空母舰眼看就将遭到重大挫折。
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中途岛海战中身负重伤的日本“最上”号重巡洋舰
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日本海军“最上”号重巡洋舰，被西方称为“惊人的违约舰”。在中途岛海战中，“最上”号隶属于日本第7战队。在战斗中，它先是因未接到转向命令而撞上姊妹舰“三隈”号，导致舰首受损，航速下降；后来又被六枚美军炸弹击中，船体倾斜。在这样的情况下，“最上”号依然挣扎着返回本土进行修整。
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惊天逆转
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可是就在美军看似马上将遭遇败北之际，命运却出现了戏剧性的转机。
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从“企业”号上起飞的33架美军“无畏”式俯冲轰炸机，在预定的海域搜索了1个多小时也没有发现目标。此时燃料不足，他们正准备返航，却意外地发现了1艘日军驱逐舰，于是率队紧随日舰而行。领队麦克拉斯基少校认为，这艘驱逐舰或许能够帮助他们找到日航空母舰。大约10分钟后，在6000米的高空中，麦克拉斯基他们果然发现了由4艘航空母舰组成的南云舰队。
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1架美军俯冲轰炸机首先穿出云层直扑“加贺”号，4颗炸弹分别在飞行甲板上的前中后部炸开。其中1颗炸中了那里的1辆加油车，顷刻之间，“加贺”号变成了一个巨大的火炉，舰长冈四大佐当场被烧死。不久该舰自动爆裂沉没，来不及逃生的700多名日军官兵随舰一起丧生大海。
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中途岛海战中的日本航母“苍龙”号
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这张照片是1942年6月4日上午8时由美国轰炸机拍摄的，当时美国“无畏”式俯冲轰炸机对“苍龙”号进行了轰炸，但未命中目标，让其逃离。当天傍晚，“苍龙”号最终葬身大海。
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目睹“加贺”号惨运的“赤城”号旗舰上的南云等人顿时惊得目瞪口呆，甚至没有注意到美机也已向他们扑来。在“加贺”号挨炸后仅1分钟，另1架俯冲轰炸机就垂直俯冲下来直逼“赤城”号，刹那间“赤城”号上就火光冲天，日军被这炫目的光亮刺得眼花缭乱，随即就被气浪掀翻。紧接着一枚又一枚炸弹连轴爆炸，大火四处蔓延，吞没了飞机。飞机所装载的鱼雷又被引爆，整个机库成了一片火海。大火很快包围了“赤城”号，南云无可奈何地转移到“长良”号巡洋舰上。6月5日清晨，“赤城”号由1艘日军驱逐舰予以击沉，200多名日军官兵随舰沉没。
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很快“约克城”号的17架俯冲轰炸机也向“苍龙”号航空母舰俯冲而去。10时30分，3枚1000磅重的高爆炸弹分别命中该舰前部飞行甲板和中部升降机，引爆了堆放的弹药和油库，顿时整个航母变成了一片火海，舰长柳本少佐下令官兵弃舰逃生。傍晚“苍龙”号随着日落沉入了海底，包括舰长柳本在内的700多名官兵也一同随舰下沉。刚才发生的一幕犹如噩梦。羞愤难当的南云曾想要剖腹自杀，被部下劝住了。
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威武一时的南云舰队只剩下“飞龙”号航空母舰独撑危局了。在该舰上指挥的第2航空战队司令官山口多闻少将在接替了南云的空中作战指挥权后，毫不犹豫地决定实施对美航空母舰的报复。
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10点40分，仅剩的日军机群逼近了美舰上空，18架“九九”式俯冲轰炸机和6架“零”式战斗机从“飞龙”号航空母舰上起飞。此时美机正一架架地朝“约克城”号的甲板上降落，12架护航的“野猫”式战斗机立即抢占了高度，在日机发起进攻前就率先击落了3架“零”式战斗机和6架“九九”式俯冲轰炸机。但仍有6架日机突破了美战斗机拦截，向“约克城”号航空母舰投掷炸弹，并命中3颗。“约克城”号舰身起火，失去了航行能力。
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下午13时40分，“约克城”号经抢救后以19节的航速继续航行。但就在这时，遭遇了10架日军“九七”式鱼雷攻击机，舰长巴克马斯特被迫下令弃舰。6架“零”式战斗机又从“飞龙”号飞来，对“约克城”号发起了第二次攻击。
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下午14时45分，美军侦察机发现了日军“飞龙”号航空母舰，斯普鲁恩斯立即命令“企业”号航空母舰的24架“无畏”式俯冲轰炸机去攻击“飞龙”号。一连串的重磅炸弹呼啸而下，并且4弹命中目标。21时23分，在抢救该舰无望后，山口多闻少将和舰长加来止男少佐下令全体船员离舰。次日凌晨，山口和加来命令“卷云”号驱逐舰把“飞龙”号击沉，他们俩则留在“飞龙”号上，随舰葬身汪洋。“飞龙”号的沉没，标志着显赫一时的南云主力舰队彻底覆没。
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中途岛海战中惨遭美军轰炸的“飞龙”号航母
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这是一张由美国人拍摄的照片，显示的是美国俯冲轰炸机全力攻击“飞龙”号。从照片上“飞龙”号的航行轨迹可以看出它慌不择路，试图摆脱美军轰炸，但为时已晚，最终没有逃脱葬身大海的命运。
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得知“飞龙”号中弹沉没的消息后，山本意识到失败已成定局。他否定了黑岛大佐提出的保全面子掩饰败局的方案。6月5日凌晨2时55分，痛苦万分的山本向全舰队发出了承认失败的电文：“撤销中途岛作战计划。”发出命令后山本向部下宣布：“责任由我一人承担，我去向天皇请罪。”据说山本为此次失败一连三天拒绝会见部下。
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至此，空前规模的中途岛海战宣告结束。中途岛之战后，日军被迫停止了在战略上的全面进攻，此外还丧失了在太平洋战争初期所据有的海空控制权。从此以后，太平洋战场开始出现转折。
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