五式戰鬥機

開發起源

概略來說，五式戰的本質就是把液冷發動機更換成氣冷星型發動機的三式戰鬥機。
三式戰鬥機（Ki-61飛燕）是日本帝國陸軍在對美開戰後服役的戰鬥機，它使用了正面截面積較小的液冷發動機，爬升性能不弱，搭配強固的機身設計，機翼主樑強度達到耐15G的標準；這讓飛燕在日軍戰機中不但武裝強、機身結實、俯衝速度也可快到時速850公里。在1943年日本陸軍航空隊的現役機種中，一式戰火力太弱、二式單座戰鬥機爬升性沒那麼好，相較來說三式戰是日本陸航中較適合攔截高空來襲的美國轟炸機。
不過，三式戰為了因應更結實的盟軍軍機多次強化武裝，但沒有因此更換發動機；早期只裝備機槍的三式戰一型甲／乙極速可達時速590公里，戰爭後期量產裝備機砲的三式戰一型丁極速只剩下時速560公里，爬升速度與飛行效果也都大打折扣。在菲律賓及紐幾內亞的作戰經驗都認為面對同盟國軍機，三式戰有必要進行整體性的改良；在對抗B-29超級堡壘轟炸機時推力不夠的問題更為明顯，因為日本軍機發動機搭配的增壓器調整適合高度大多在6,000公尺左右，再上去的高度推力就急遽衰減。以三式戰來說到1萬公尺高度時速度勉強只剩漂浮狀態，到最後飛行員為了改善高空性能，不惜用拆裝甲、拆機槍的方式減少空重勉力進行高空飛行，並採用撞擊的方式攔截高空轟炸機。
因為高空攔截的需求日益嚴峻的戰局，川崎在1943年起設計了改良版飛燕；此計劃預計讓飛燕裝上新型的Ha-140式液冷發動機，這款發動機為原本飛燕採用的DB 601發動機日本授權生產型Ha-40型液冷發動機出力增強之改良型，以提高轉速（每分鐘2,500轉升級到2,750轉）、改良增壓器、增設水甲醇混合液注入功能，讓原本1,150匹馬力的發動機升級成1,500匹馬力。新的飛燕保留三式戰一型丁的重武裝，原型機在1943年9月至1944年（昭和19年）1月試製8架，稱Ki-61-II。第9架原型機再度改良，以Ki-61-II改的名義推出，Ki-61-II改後來制式化稱三式戰鬥機二型；1944年8月測試結束，陸軍並下訂30架試製機。
然而，飛燕戰機的問題一直都在液冷發動機，三式戰二型亦不例外；因為Ha-140的生產一直上不了軌道，日本陸軍審査部派遣名取智男上尉至川崎明石工廠向技工了解生產狀況，才發現要量產Ha-140根本是毫無希望的事情。
日本製造的液冷發動機從Ha-40起就問題叢生，這些問題只是日本整體工業水平與國力不足的反射，並非單一體系得完全承擔的責任。從發動機需要的鎳基合金在日本無法生產、零件精度不足、組裝品質不佳、維修人員缺乏足夠職前訓練、前線維修人員使用錯誤的維修手段等，許多體系上的錯誤讓Ha-40發動機從生產到操作充斥著磨合問題；二戰後期人力抽調與美軍轟炸威脅只是把體系災難放大而已，且提高轉速、更改增壓器、並採用水噴射系統壓榨輸出、以及比Ha-40更加精密的Ha-140之設計，亦是將諸多生產上的災難推到一種連川崎自己都無法控制的領域罷了。
Ha-140的生產災難從三式戰二型的開發起就已經出現。三式戰二型的測試1943年9月到1944年8月，陸軍決定在1944年8月到9月間取得100架三式戰二型，分別是8月接收預量產30架，9月70架，但結果川崎仍無法按時完成。原本是打算1944年7月生產20具發動機，實際上只交貨7具，1944年8月預定生產40具，實際只交貨5具，至於1944年9月只交貨1具發動機，而交貨的發動機尚需作實際運作調整，還不可以直接使用，三式戰二型的量產計劃可想而知便原地踏步，陸軍也就不打算指望三式戰二型能量產些甚麼出來了。到最後三式戰二型受限於發動機數量，完工數量不超過100架，還因為空襲等因素在地面損失，陸軍實際接收數量只有60架左右。

飛燕空冷發動機化

日本陸軍並非對液冷發動機造就的災難一無所知，因此陸軍航空審查部飛行實驗部長今川一策上校在1943年末便要求要有三式戰鬥機空冷發動機化的方案，硬要追溯，此人大概是五式戰最早的提案者；他在Ki-61-II完成前8架原型機機身時，就有應該需要讓Ki-61-II有其它的發動機替代方案的想法。1944年初川崎團隊尚未查知到陸軍有期盼飛燕換發動機的想法，陸軍正式提案則要在三式戰二型開發的同時，昭和19年4月（1944年4月）命令川崎進行Ki-61-II型換裝氣冷式發動機的研究，川崎方面對陸軍有可能會拒絕採用他們生產的液冷發動機有所微辭；由於當時土井武夫等人仍致力於飛燕二式的開發中，川崎明石工廠也為Ha-140開發投注大量心血，陸軍的要求可謂大煞風景，但仍然繳交了預備提案。
在二戰期間，日本致力在研製液冷空用發動機已不只是川崎獨家業務，愛知飛機因應海軍的需求也向德國採購生產授權，國產化了海軍版DB 601發動機：熱田發動機。當然陸海軍因軍種本位主義而浪費資源重複採購生產授權這種各行其事風格是日本內部內耗的最佳縮影，不過也因此日本陸軍早已聽說愛知為了量產彗星俯衝轟炸機使用輸出動力強化成1,400匹馬力的熱田32型而焦頭爛額，也知道海軍打算把彗星更換空冷發動機的提案，對川崎也沒抱持太多期望；日本陸軍航空本部總務科技術主任岩宮滿少校曾對土井武夫私下提出建議，將三式戰上使用推力相近，在百式司偵上操作實績也不錯的Ha-112發動機，不過當時土井沒有將這話題繼續下去；而1944年4月今川一策上校私下認為陸軍沒有必要將資源繼續耗費在液冷發動機戰機上，雙方最後的妥協點則是1944年8月到9月間量產三式戰二型的計劃。
這場陸軍官僚與川崎航空的爭執，結果則是以陸軍預想狀況成真，川崎作敗收場。日本陸軍也因此要求川崎將生產主力轉移至協助三菱代工飛龍，軍需省則在1944年8月指示縮小三式戰二型的產能，1944年10月下令將三式戰二型修改為安裝三菱Ha-112發動機的機種（同時間有和Ha-140發動機相等輸出功率的預備發動機只剩Ha-112產能有容餘），代號キ100；不過川崎方面紀錄直到11月才正式接獲軍需省命令，且在沒獲得正式量產命令下仍私下繼續生產三式戰二型的機體，在1944年10月有68具「沒頭」的三式戰二型，到到昭和20年1月（1945年1月）時，川崎工廠已經庫存有230架此類機體，且持續以輔助用機體名義繼續生產三式戰二型，且期盼Ha-140可以在1945年6月到8月間生產品質足以穩定，直到1945年7月川崎才正式「停產」三式戰二型，將生產資源與五式戰產線整合。顯示出日本即使在戰爭環境下軍方生產管控不佳，仍出現任憑製造商亂搞的混亂現象。

機體設計

五式戰鬥機的機身來源為使用直列液冷發動機的飛燕，改裝星型空冷發動機的最大問題就是發動機尺寸與機身無法契合下其落差導致的衍生紊流。
原本匹配ハ-40發動機的飛燕機身寬度為84cm，但換裝ハ-112星型發動機後必須大幅增加至122cm；不過日本在太平洋戰爭初期向德國引進了Fw-190A5，這架戰機在設計上也有類似狀況，Fw-190的解決方案是設計一套整流排氣管，在機身落差處施以熱推力排氣將紊流吹走以減少附著於機身的境界層阻力，川崎的設計小組參考此設計並在3個月內完成五式戰的排氣管相關設計；除了排氣管，發動機整流罩下方增設了發動機潤滑油用散熱器，對川崎團隊堪稱幸運的是機體與發動機的型架接點只要略做修改就可以順利安裝；在1945年2月完成原型機，2月11日之前完成試飛，2月中旬正式獲得陸軍採用，五式戰鬥機也就此誕生。
由於發動機更換，機首縮短，駕駛座前向視野略為改善；但機鼻整流罩的外形變化造成了正投影面積下的空氣阻力增加，因此五式戰試飛時的最高時速低於同等動力的三式戰二型，僅有時速580公里的水準；不過三式戰二型僅有不到60架，幾乎沒幾個單位能領取使用，如與當時服役已有段時日的三式戰一型系列相比改善就極為顯著。不只是最高極速超過三式戰一型丁至少20公里，巡航時速更高出50-60公里左右。
換裝空冷發動機後，除了發動機重量較輕（ハ-112比ハ-40輕40公斤，較ハ-140輕160公斤），在拆除液冷發動機機腹冷卻散熱器及相關配線讓機腹線條較為流線平滑、並撤掉因發動機重量調整的尾部配重物後，五式戰一口氣較飛燕二型減輕了約330公斤的重量（比飛燕一型丁輕100公斤）。原先拆除設備的用意是因應更換發動機後的簡化手續，但是減輕飛機重量意味著降低翼負荷；飛行員實際試飛五式戰時，意外發現減輕這些重量後，五式戰爬升率和機敏性竟超越疾風，繼承自三式戰的機身與機翼結構，使該機俯衝速限也接近三式戰，可輕易突破800km/h ；俯衝加速雖遜於三式戰大部分型號特別是（三式戰二型），但其餘加速性能皆優於三式戰，尤其是在爬升速度表現，五式戰仍維持與飛燕二型同等性能，遠優於飛燕一型丁。
軍方對修改後的飛機感到十分滿意，對土井團隊直稱「天佑吾皇」；並在1945年7月14日由陸軍大臣阿南惟幾頒發川崎飛機感謝狀，獎勵該廠開發五式戰的成果。
不過即使五式戰作為本土防衛戰中的格鬥型戰機是破格的優秀，這些效能在攔截美國陸航B-29與P-51D等編組從動輒三萬呎以上高空的進襲時仍顯不足。為了滿足高空攔截需求，因此Ki-100-II 規劃將發動機安裝渦輪增壓器，按照紙上試算，安裝渦輪增壓器的五式戰二型將可以在10000公尺高度達到590km/h 的時速。
五式戰二型試作機的實飛最大時速達到時速586公里，速度上雖差強人意，但締造該數值的飛行高度僅在8,000公尺，並非原訂想像高度，在1萬公尺時時速僅有565km/h。即使如此，這等成績在當時的日本一線戰機中仍屬成績較佳者，且川崎還有後續的加力劑注入計畫，預計在萬米高度上可再增強20~30km/h的時速。不過在這之前日本此款配備渦輪增壓器的發動機僅在少量生產的百式司令部偵察機四型上有過幾次實用經驗，發動機本身亦不過是省略中冷器的簡易版，不僅壽命極短且效能不安定，與歐美真正將整套渦輪增壓系統成熟實用化的機種完全無法相提並論。
再考慮當時日本的工業力極限及嚴重受創後的產能，即使量產，是否真能達到計畫性能以及實戰效能，實際上相當令人存疑。
Ki-100-II 預定於1945年9月開始量產，但在此前日本已投降，因此實際上此型號僅造出3架測試機而已。