三式戦闘機
米軍側の損害は対空砲火によるもの以外皆無もしくは僅少であった。翌22日も7機で迎撃を行ったが、さらに2名の戦死者を出し機体3機を失うも、戦果を得なかった。
なお10月10日には台湾に対し第38任務部隊による空襲が行われ、ここに駐屯していた飛行第8師団隷下独立飛行第23中隊の、一式戦闘機2機を含む16機または17機(パイロット15名)が爆装で出撃し、薄暮攻撃で敵艦隊への反撃を企図した。
また三式戦闘機の稼動機10機による全力攻撃が行われようとしたが、離陸直後を20機のF6Fに襲われ、5機撃墜、3機不時着大破、1機炎上と、壊滅的な損害を受けた。ただし田形 (1991)によればこの戦いは制空戦闘であり、敵機は240機が投入されていた。戦闘高度は3,500 mとされ、戦闘状況は離陸直後ではない。やはり中隊は全滅するも、敵機10数機を撃墜・撃破したとする。台湾にはこのほか一式戦闘機8機、三式戦闘機7機の集成防空第一隊があり、10月12日に行われた飛行第8師団(主力54機、その他27機)による総反撃にも加わっている。その内、操縦歴8年のベテランパイロット田形竹雄准尉は初陣の僚機と2機で敵機36機を迎撃し、有利な体勢から攻撃を開始した。僚機は真戸原忠志軍曹が搭乗しており、22歳の彼は初陣であっても操縦歴4年、飛行時間1,500時間を数えるパイロットだった。
なお、三式戦闘機における全空気抵抗の内、ラジエーターのそれは14 %を占めていた。
飛行第78戦隊ではラジエーターの修理を多く報告しており、中でも油漏れが大きな問題とされた。まず前述のとおり水冷却器と油冷却器が一体構成であり、これを機外に降ろす作業が容易ではなかった。またオイルタンクはパイロットの足下にあり、これは寒冷地やそれなりの高々度では良い暖房になったが、南方の低高度ではコクピット内が相当に暑くなったようである。またこの水油同居形式のラジエーターは、空気取り入れシャッターで各冷却機構の能力を調整するものであったが、離陸時にはパイロットがシャッターを手動で操作せねばならず、操作ミスから、油温の上昇、水漏れなどの不具合が続出した。また、オイル配管をエンジンから遠い機体下面まで取り回したせいで、しばしば配管の各所からオイル漏れが生じることとなった。なお、水冷方式である本機は地上待機状態であまりエンジンを回すと、すぐに水温が上がり冷却水が沸騰、圧力逃がし弁が開き、蒸気が排出される。これは「お湯を沸かした」などと言われた。またこの状態はオーバーヒートを起こしている状態であり、離陸は困難である。また飛行中に蒸気を通り越して冷却水そのものまで吹き出すようなトラブルも見られた。
そうした中、4月24日、いよいよラバウルに進出することとなったが、集団で離陸する訓練をしていなかったため、全機が離陸して集合を終えるまで1時間もかかった上、しばらく飛行したところで下山戦隊長機に不具合が発生したことから、進出を断念した。加えて引き返したあたりで、大木正一曹長機がエンジン不調により不時着水し、トラックから300キロ近く離れた地点だったため、曹長はそのまま行方不明となり、初の戦没者を出す事態となった。
4月27日、27機が再度ラバウルへ向けて発進した。3日前の反省から、戦隊本部と第1中隊の12機が先行し、約1時間後に第2中隊と第3中隊の15機が後続する形をとった。
先発隊の編成は、以下のようになっていた。
戦隊本部(4機)
下山登中佐(戦隊長)
浅野眞照大尉
西川貞雄曹長
稲見靖軍曹
第1中隊(8機)
中川鎮之助中尉
小川登中尉
白山銀蔵曹長
池田秀夫曹長
黒岩朝彦曹長
山崎民作曹長
吉田晃軍曹
寺脇弘伍長
しかし、この先発隊の12機が大きな悲劇に巻き込まれてしまう。
渡辺 (2006, pp. 133–140)によると、先発隊は以下のような経過をたどった。
まず、先発隊を先導するはずだった百式司令部偵察機がエンジン故障のため発進できなかったことから、陸軍飛行隊単独で不慣れな洋上計器飛行を行うことを余儀なくされた。飛び始めてまもなく、浅野大尉、中川中尉らは、3日前と景色が異なっていることから異変に気づき、コンパス を見るとほぼ真南である175度の進路を取るところを、145度の進路を取っていた。
しかし1945年1月3日の迎撃戦では、当日1回目の出撃こそ40機全機が行えたものの、2回目には25 - 26機、3回目にはたった3機しか出撃できなかった。この日の飛燕の損害は8機にすぎず、すなわち残りは全て故障であった。同じく調布に展開する第18戦隊では、1944年春頃には50機中稼動機は5機といった日もあった、との証言もある。一方、航空審査部実行試験部(以下、航空審査部)でも1944年、粗製化の傾向はあるものの十分な整備を行えば動作に支障はなく、問題は整備力の低さであると判断している。
上記のように本土もしくは審査部ではある程度の整備が行えたものの、最前線や実戦部隊での整備・運用は過酷な作業であった。さらに撤退の際、時間をかけて液冷エンジンに習熟した整備兵を最前線に残置したことも、稼働率を下げた要因の一つである。さらに日本の整備マニュアルは欧米のものに比較して難解で、当時必ずしも学力が高いとは言えず自動車などの機械類にも馴染みのなかった一般的な新任整備兵にとって少々荷が重かったとの指摘もある。また本機は日本陸軍では一式戦闘機、四式戦闘機、九七式戦闘機に次ぐ3,000機以上が生産されたのであるが、野原 (2005)は発動機に大きな問題を抱えつつもそれをこれだけの機数生産し続けねばならなかったところに当時の日本陸軍航空の苦悩が見て取れるとする。
1944年には油漏れに対する生産工程レベルでの抜本的改造が講じられた。この処置で一時的に生産量が落ちており、エンジン無しの機体が工場に並ぶことが多くなった。これについては#二型(キ61-II改)で後述する。
ただし三式戦闘機は、敵機が他の日本機、例とすれば零式艦上戦闘機や一式戦闘機に対して取った戦術同様、降下で離脱しようとした時、特に比較的低高度では、これに食い付くことができた。
一方、ニューギニア方面のP-38のパイロットからは「三式戦闘機は水平飛行でP-38に追いつける機体」という報告もなされており、高度6000 m以下の高度域で対峙したパイロットからは「P-38Jのエンジンを全開にして数分間追っても、逃げる三式戦闘機を捉えることができなかった」という報告や、一式戦闘機なら既に引き離している状況でも、三式戦闘機は執拗に食いついて来ることに驚愕する報告が複数ある。
1944年のフィリピン戦で三式戦闘機を相手としたF6Fのパイロットも、他の日本機より戦いやすかったとしているようだ。ニューギニアで三式戦闘機と戦ったアメリカの第35戦闘飛行隊、P-40Nのパイロットらも、P-40Nに勝る機体ではない、運動性の高い一式戦闘機の方が怖い、火力と降下速度は従来の日本機より上だが上昇性能と運動性能は劣っており加速性能も良くない、などと証言したという。一方で、日本とアメリカ両軍の多くの機種が戦った沖縄戦において、アメリカ海軍パイロットから、陸軍の四式戦闘機や海軍の紫電などの新鋭機より高評価を受けたのが飛燕であった。F6Fで飛燕と戦ったアメリカ海軍パイロットは「飛燕の運動性に感銘を受けた。速度200ノット(371 km)以下で高度10,000フィート(3,048 m)以下なら、飛燕はF6Fを外に追い出すことができた」と述べている。