三式戦闘機
三式戦闘機は太平洋戦争に実戦投入された日本軍戦闘機の中では唯一の液冷エンジン機である。搭載エンジンには、当時同盟国であったドイツ国のダイムラー・ベンツ社が開発した離昇出力1,100馬力のDB 601 Aを川崎がライセンス生産したハ40を採用した。空冷エンジンが主力であった日本軍機の中にあって、本機の外形は水冷エンジン装備機特有の細身な形状を持つ。開発者の土井によれば、出力が同じ場合、液冷戦闘機の抵抗面積は空冷戦闘機に比べて20 %程度も減少し、速度は6 %向上するなど空力的にも優位な形状であった。ただしラジエーターを要する分重量が増すのが欠点である。
搭載エンジンと機体形状から「和製メッサー」とも呼ばれたが、機体設計は川崎設計陣が独自に行ったものであり、左右一体型の主翼と胴体の接合法、ラジエーター配置、主脚構造などがBf109と大きく異なり、共通点はエンジンと後に本機の一部が装備したMG 151/20機関砲程度である。
1940年2月に陸軍が川崎にハ40を使用した軽戦闘機キ61の試作を指示、12月から設計が開始された。1941年12月に初飛行したキ61試作機は591 km/hという「全くの予想外」の最高速度を発揮し、総合評価でも優秀と判定されて直ちに制式採用が決定された。しかし、DB 601は当時の日本の基礎工業力や資源欠乏から生産が難しい精緻な構造のエンジンであったこと、日本の整備兵は液冷エンジンに不慣れで整備作業そのものも難しいなど運用側にも負担となったことなどから、後々まで生産・運用ともに問題が多く発生した。
ハ140を搭載したこの機体は従来のものとは異なり、完全武装状態でも高度10,000 mまで楽に上昇できた。二型機体は、一足早く航空審査部飛行実験部や、1944年11月ごろより、片岡載三郎掛長(かけちょうまたはかかりちょう。現在で言うところの係長)を隊長とし、川崎航空機のテストパイロットで編成された川崎防空戦闘隊によっても一線部隊に先行して運用された。航空審査部や川崎防空戦闘隊はB-29の迎撃戦で活躍し、特に川崎防空戦闘隊は一型機体と合わせ、1944年12月13日、1945年1月3日あわせB-29、B-25合計3機または4機の撃破を報告し、航空本部長から感謝状を贈られている。そのうちB-29 3機は片岡掛長による戦果である。
増加試作機が30機または36機生産された後、1944年9月より「キ61-II改」として量産が開始された。ハ140が順調に量産され、所期の性能を発揮すれば機体が高性能をあらわすことも可能であったが、機体こそ374機が完成したものの、ハ140の生産が遅延し品質も悪かった。生産台数は44年7月に20台納入の予定が8台、8月には40台納入予定が5台、9月には1台のみが完成したに過ぎない。こうした生産状況からは本機を実用機として戦力化することが極めて困難であった。航空審査部の担当名取智男大尉はハ140を生産している川崎の明石工場に通い詰め不具合を調査したが、性能の維持は不可能であり、これに乗って飛んでくれとは整備屋としてとても言えないと言った惨状であった。
液冷エンジンに不可欠なラジエーターは幅約800 mm、高さ約480 mm、アンドレー式のものである。このラジエーターは胴体下部中央、すなわちパイロットのやや後方あたりに半埋め込み式として配置された。機体から外には250 mmが露出している。キ60では上下式としたがこれは重量が嵩むため、三式戦闘機では固定式に改められた。ラジエーターは前方から見て、エンジン冷却水冷却部、潤滑油冷却部、エンジン冷却水冷却部と3つに分かれている。使用された冷却液は化学物質を混合しない通常の淡水であり、冷却するに際して約3.8 kg/cmに液を加圧し、沸点を125度として使用した。
また、滑油冷却器の能力が過剰でオイルが固くなり循環不良による油温過昇を起こしたが、空気の通過量を60~70%に抑えるフィルターを前面に設置して解決した。18年4月末にラバウルへ移動した68戦隊では、内地より暑いからとフィルターを撤去したところ過冷による循環不良が再発し、元に戻したという。
土井は戦後、同じ箇所にラジエーターを配したP-51を見た時、その気流の処理の見事さに、さすがにアメリカの方が進んでいるとの感想を抱いた。また同時に、このアメリカ軍最優秀機と三式戦闘機のラジエーター処理がほぼ同様であったことは感無量であったともしているが、実際類似しているのは設置した場所だけで、構造や形状などは全く異なっている。
終盤の特攻機護衛のために出撃するが、F6Fによってあえなく撃墜される。
1942年6月5日には土井により、翼厚の関係上主翼への搭載は不可能で、この部分の翼厚を100 mm程度に再設計する必要があるとの報告がなされている。再設計と生産設備の転換自体は1週間で完了できる比較的容易なものであった。
武装変更に伴い機首の延長、榴弾の信管過敏による暴発対策で機首上面外板を厚いものに変更、これにより機体重心が前進したため後部にバラストを搭載し、主翼を4 cm前方に移動している。また、胴体内タンクを95リットルで復活させた。このため燃料搭載量は595リットルとなった。
翼内から機首への大口径機関砲搭載位置の変更は、命中率向上と重量物の機体重心近くへの移設による旋回性能向上につながるものだが、実際は改造による自重にして約250 kgの重量増加により飛行性能全般が低下している。高度6000 mでの最高速度は590 km/hから560 km/hへ、上昇力は高度5000 mまで5分31秒から7分程度へと低下している。なお、351機目から増槽架を100 kg爆弾搭載可能なものにしたとする文献もある。
本型は機体に大改修を加えているため当初「三式戦闘機一型改(キ61-I改)」と称されたが、のちに「三式戦闘機一型丁(キ61-I丁)」となった。計画では機体番号4001から4900までの900機の生産であったが、後継の二型が間に合わず、機体番号5354機までが生産された。生産機数は1,358機、または1,354機と最多である。
なお、「首無し」の機体は後述するハ140搭載の二型のものが有名だが、ハ40の徹底的な改良という要因により供給が不足し、一型についても1944年秋から首無しの機体が増えており、11月には最大の190機を数えていた。
そのうち、第18飛行戦隊と第55飛行戦隊も三式戦闘機装備部隊であった。
第18戦隊の一型丙は、現地での弾薬補給が困難な20 mmマウザー砲の代わりに12.7 mm機関砲を装備し、11月11日に35機が出立した。この戦隊は那覇・台湾経由で進出し、18日までに31機がアンヘレス西飛行場に到着した。当初は四式重爆撃機で編成された特攻隊の護衛任務に従事した。ところが11月25日にはF6Fとの空戦に敗れ、稼動機は5機にまで減少し、1945年1月には本土に帰還を余儀なくされた。
第55戦隊は11月10日に本土を出発した。18日までに約30機または38機がアンヘレス西飛行場に到着した。しかし11月25日には敵P-38の奇襲を受けて7機の損失を出すなど苦戦が続く。明けて1945年1月9日、アメリカ軍はルソン島に上陸を開始した。1月15日には戦隊に帰還命令が出され、5名の搭乗員は内地へ帰還できたほかいくらかの人員は台湾への後退に成功したが、地上勤務者の大半は地上部隊に編入され、アメリカ軍との交戦の末に戦死するものが大半を占めた。
また第19戦隊は本土での戦力回復後台湾へ移動、1945年1月5日頃、1個中隊がフィリピンに再進出した。なお一部は台湾に残置された。彼らは艦船攻撃や特攻機の援護などを行い、12日までにその戦いの幕を下ろした。